ΡρWechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und

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Ρρ
FORSCHUNGSVEREINIGUNG
A U T O M O B I LT E C H N I K
E .V.
FAT- S C H R I F T E N R E I H E
238
Wechselwirkungen z wischen
Dieselmotor technik und -emissionen
mit dem Schwerpunkt auf Par tikeln
Wechselwirkungen zwischen
Dieselmotortechnik und -emissionen mit
dem Schwerpunkt auf Partikeln
Forschungsstelle:
FEV GmbH, Aachen
Autoren:
Dr.-Ing. Andreas Wiartalla
Dr.-Ing. Christopher Severin
Das Forschungsprojekt wurde mit Mitteln der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e. V.
(FAT) gefördert.
Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen
2
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
FEV
Seite
1 Einleitung
4
2 Grundlagen Dieselmotor
7
2.1
2.2
Funktionsprinzip Dieselmotor
Dieselmotoremissionen
3 Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität
3.1
3.2
Emissionsgesetzgebung
Kraftstoffqualität
4 Partikelmesstechnik
4.1 Gravimetrie
4.2 Trübungsverfahren
4.3 Partikelzähler (Streulicht)
4.4 Impaktion
4.5 Differenzielle Mobilitätsanalyse
4.6 Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS)
4.7 Gesetzliche Vorschriften zur Partikelmessung
4.7.1 Partikelmassenmessung
4.7.2 Partikelanzahlmessung
4.8 Zusammenfassung
5 Fortschritt der Dieselmotortechnologie
5.1 Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsreduktion
5.1.1 Einspritztechnik
5.1.2 Ladungsbewegung
5.1.3 Abgasrückführung
5.1.4 Aufladung
5.1.5 Brennverfahren
5.2 Externe Maßnahmen zur Emissionsreduktion
5.2.1 Dieseloxidationskatalysator (DOC)
5.2.2 Partikelminderungssysteme
5.2.3 DeNOx-Systeme
5.3 Dieselkraftstoff – Art und Qualität
5.3.1 Übersicht typischer Dieselkraftstoffe
5.3.2 Gas to Liquid (GtL)
5.3.3 Hydriertes Pflanzenöl (HVO)
5.3.4 Zusammenfassung
7
9
17
17
24
27
28
29
30
30
31
33
35
35
35
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38
38
39
40
41
42
42
44
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51
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54
55
56
57
6 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen 58
6.1 Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen
6.2 Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion
6.2.1 Diesel-Oxidationskatalysator (DOC)
6.2.2 Dieselpartikelfilter (DPF)
6.2.3 NOx-Nachbehandlungssysteme
6.3 Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art
6.4 Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem
FEV GmbH  Neuenhofstr.181  D-52078 Aachen  Telefon 0241/5689-0  Fax 0241/5689-119
58
64
64
66
75
78
82
3
Inhaltsverzeichnis
7 Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen
7.1
7.2
Stickstoffoxid-Emissionen
Sonstige Emissionen
FEV
88
88
91
8 Zusammenfassung und Ausblick
94
9 Literaturquellen
96
10
Abkürzungsverzeichnis
105
4
Einleitung
1
FEV
Einleitung
Der Dieselmotor steht aus technischer Sicht im Spannungsfeld unterschiedlichster Anforderungen, die sich aus maximalem Kundennutzen, minimalem Kraftstoffverbrauch und den damit
einhergehenden CO2-Emissionen sowie minimalen Schadstoffemissionen ergeben. Während
der CO2-Ausstoß erst seit Kurzem reglementiert ist, sind die Schadstoffemissionen seit den
1970er Jahren durch entsprechende Gesetzgebungen begrenzt. Anfang der 1990er Jahre wurde
die „Euro“-Abgasnorm eingeführt, bei der sich die Grenzwerte über einzelne „Euro“Emissionsstufen immer weiter verschärfen. Die aktuell gültige Euro-5-Norm wird 2014 durch
die „Euro-6“-Stufe abgelöst.
Um die Gesetzgebung einzuhalten oder wie oftmals üblich vorzuerfüllen und gleichzeitig allen
Kundenanforderungen genüge zu tun, ist eine konsequente Weiterentwicklung des Dieselmotors erforderlich. Während sich das Grundprinzip des Dieselmotors – die qualitätsgeregelte
Selbstzündung – dabei nicht verändert hat, ist jedoch die Prozessführung heutiger moderner
Motoren technisch erheblich anders realisiert. Neben der Weiterentwicklung des Motors selbst
wurden Systeme zur Abgasnachbehandlung eingeführt, um die motorischen Emissionen weiter
zu reduzieren.
Eine zusammenfassende Darstellung der technischen Weiterentwicklungen und ihrer Auswirkungen auf die Reduktion der Schadstoffemissionen, insbesondere der Verringerung der Partikelemissionen sind nicht verfügbar. Diese Studie hat daher das Ziel, die vielfältigen Verbesserungen der Dieselmotortechnologie im Hinblick auf die Partikelemissionen zusammenzufassen. Dabei werden insbesondere folgende Punkte berücksichtigt:
 Emissionsgesetzgebung,
 Kraftstoffqualitäten,
 Diesel-Motor-Technologien,
 Diesel-Partikelfilter-Technologien,
 Stickoxid-Nachbehandlungs-Technologien,
 Partikelzusammensetzung/Partikelcharakteristika.
Den Schwerpunkt der Studie bildet die Darstellung der Auswirkungen der dieselmotorischen
Weiterentwicklung auf die massenbezogene Partikelemission. Darüber hinaus werden Auswirkungen auf Veränderungen der ausgestoßenen Partikel, z. B. ihre Morphologie, Zusammensetzung und das Partikelgrößenspektrum, betrachtet. NOx-Emissionen (dabei separate Betrachtung
der NO2-Emissionen) werden insbesondere hinsichtlich Partikelwechselwirkungen oder Abgasnachbehandlungstechnik analysiert; eine detaillierte Betrachtung der NOx/NO2-Emissionen
erfolgt im Rahmen der Studie nicht. Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK bzw.
PAH), Aldehyde und N2O (nicht limitierte Emissionen) werden, sofern aus den Quellen verfügbar, nur am Rande betrachtet.
Der Fokus der Studie liegt auf Diesel- und On-Road-Anwendungen (schnell laufende Dieselmotoren für Fahrzeuganwendungen auf der Straße); Industriemotoren und Marineanwendungen werden im Rahmen der Studie nicht betrachtet. Die Darstellung erfolgt – soweit sinnvoll –
getrennt für Pkw und Nutzfahrzeuge. Die Studie erfolgt auf Basis öffentlich zugänglicher Informationen sowie FEV-internen Know-hows und gliedert sich in die folgenden Kapitel:
5
Einleitung
FEV
Grundlagen Dieselmotor
Erläuterung der Grundlagen zum dieselmotorischen Funktionsprinzip sowie der Schadstoffentstehung beim Dieselmotor.
In diesem Kapitel wird die Entwicklung der Emissionsgesetzgebung in Europa für Pkw- und
Nutzfahrzeugmotoren sowie die Marktdurchdringung der neu eingeführten Emissionsstufen
betrachtet.
Partikelmesstechnik
Beschreibung und Vergleich der wesentlichen Messtechniken zur Erfassung der Partikelemission hinsichtlich Masse, Partikelgröße und weiterer charakteristischer Eigenschaften, auf die
im Rahmen dieser Studie Bezug genommen wird.
Fortschritt der Dieselmotortechnologie
In diesem Kapitel werden die vielfältigen technischen Verbesserungen in der Dieselmotortechnik von der Einführung der Emissionsgesetzgebung bis zum aktuellen Stand der Dieselmotorentechnik beschrieben. Neben innermotorischen Maßnahmen wie Aufladesystem, Abgasrückführung und Einspritzsystem wird dabei insbesondere auch auf die relevanten Abgasnachbehandlungstechnologien Oxidationskatalysator (DOC), Dieselpartikelfilter (DPF), SCRTechnologie und NOx-Speicherkatalysator (NSK) eingegangen.
Auswirkungen des Technologiefortschritts auf die Partikelemissionen
Darstellung der Auswirkungen der zuvor beschriebenen Maßnahmen auf die Partikelemissionen. Über die rein massebezogenen Emissionen hinaus werden dabei auch weitere Veränderungen, z. B. hinsichtlich Morphologie, Zusammensetzung, Partikelanzahl und Partikelgrößenspektrum, betrachtet.
Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen
Betrachtung der Auswirkungen der zuvor beschriebenen Maßnahmen auf die Emissionen der
Stickstoffoxide und die anderer, derzeit noch nicht limitierter Abgaskomponenten.
Ziel der Studie ist eine möglichst umfassende Zusammenfassung der verfügbaren Literatur,
wobei ein besonderer Schwerpunkt auf vergleichende Untersuchungen über verschiedene
Technologiestufen unter vergleichbaren Randbedingungen gelegt werden soll. Hierbei werden
die üblichen frei zugänglichen Quellen und nur in Ausnahmefällen Daten aus eigenem, nicht
öffentlich zugänglichem Bestand verwendet. Im Hinblick darauf, dass der Dieselmotor – insbesondere im Pkw-Bereich – vor allem in Europa und Deutschland auf eine lange und erfolgreiche Historie zurückblickt, stammt ein großer Teil der dargestellten Literatur aus dem deutschen
und europäischen Raum.
Die Studie erhebt ferner den Anspruch, die Dieselmotorentechnologie zu beleuchten, die repräsentativ für die tatsächlich im Straßenverkehr eingesetzten Antriebsaggregate ist. Daher sind
insbesondere Veröffentlichungen relevant, die sich auf tatsächliche Serienmotoren beziehen.
Derartige Quellen sind insbesondere in Vorträgen der renommierten Kolloquien und Symposien zu finden, welche die bevorzugte Publikationsplattform der Motorhersteller selbst sind.
Demgegenüber sind veröffentlichte Grundlagenuntersuchungen an Forschungsmotoren von
etwas geringerem Interesse, zumal hier in den meisten Fällen keine Entwicklungen über meh-
6
Einleitung
FEV
rere Motorengenerationen unter vergleichbaren Randbedingungen dargestellt sind. Als Hauptquellen dienen daher Motorenkolloquien und Fachveranstaltungen sowie die Veröffentlichungen der Society of Automotive Engineers (SAE).
7
FEV
2
2.1
Funktionsprinzip Dieselmotor
Bei einer Verbrennungskraftmaschine handelt es sich um eine Kraftmaschine (Maschine, die
mechanische Leistung abgibt), in der ein Wärmeprozess und ein Verbrennungsprozess gekoppelt ablaufen. Im Verlauf des Prozesses wird aus der chemisch gebundenen Energie eines
Kraftstoffes (der Kraftstoffenergie) durch Verbrennung auf dem Wege über thermische Energie
mechanische Arbeit gewonnen.
Der Dieselmotor lässt sich innerhalb der Verbrennungsmotoren nach den folgenden Merkmalen einteilen.
Offener Prozess
 Das Arbeitsfluid ist das verbrennende Brennstoff-Luft-Gemisch; es muss nach der Arbeitsleistung erneuert werden (daher „offener Prozess“).
 Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Arbeitsraums („innere Verbrennung“).
Intermittierende Verbrennung
 Ist typisch für offene Hubkolben-Prozesse.
 Wegen nur kurzzeitig auftretender hoher Temperaturen des Arbeitsmediums lässt sich die
thermische Belastung der Bauteile in Grenzen halten.
 Zünd-, Verbrennungs- und Emissionsprobleme sind Merkmale dieser Verbrennung.
4-Takt-Verfahren
 Die Volumenänderung des Arbeitsraums wird abwechselnd zur Arbeitsleistung und zum
Ladungswechsel herangezogen.
 Austausch des Arbeitsmediums findet durch Steuerung von Ein- und Auslassventilen statt.
 Ein vollständiges Arbeitsspiel umfasst die vier Takte:
Arbeitstakte
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Expandieren
4. Ausschieben
Ladungswechseltakte
Abbildung 2.1 zeigt den Gasdruckverlauf im p-V-Diagramm (sog. Indikatordiagramm) und
im p-α-Diagramm für einen 4-Takt-Hubkolbenmotor. Es gelten folgende Abkürzungen:
α – Kurbelwinkel (KW), gezählt vom Gaswechsel-OT aufwärts in °KW,
V – Brennraumvolumen,
Vh – Hubvolumen,
Ve – Kompressionsvolumen,
pu – Umgebungsdruck,
pz – Zünddruck.
8
FEV
Abbildung 2.1: p-V- und p-α-Diagramm (4-Takt-Verfahren) /1/
Luftverdichtung
 Luftfüllung beim Ladungswechsel, Verdichten der Zylinderluftmasse und anschließende
Zumischung des Kraftstoffs gegen Ende der Verdichtung (mithilfe von Einspritzpumpe und
Einspritzdüse)
Innere Gemischbildung
 Befüllung des Zylinders mit Luft über die Einlasskanäle; separate Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (in den Saug- oder Kompressionshub)
Qualitätsregelung (Lastregelung)
 Das Mischungsverhältnis aus Kraftstoff und Luft wird geändert.
 Die Masse des Arbeitsfluids pro Arbeitsspiel bleibt näherungsweise konstant.
 Das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet sich infolge der hohen Verdichtungstemperatur von
selbst.
Zusammenfassend lässt sich das Arbeitsverfahren eines Dieselmotors als eine „Selbstzündung
eines qualitätsgeregelten inhomogenen Gemischs“ definieren.
Für die Bildung eines zündfähigen Gemischs wird beim direkt einspritzenden Dieselmotor der
Brennstoff gegen Ende der Verdichtung durch eine Einspritzdüse in den Brennraum gespritzt.
Mit der eingespritzten Menge wird die Last des Motors geregelt. Je nach Auslegung der Einspritzanlage und Last beträgt der Druck vor der Düse während der Einspritzung 150 bis 2000
bar und wird durch technologische Weiterentwicklung zukünftig noch weiter steigen.
9
FEV
Dem Einspritzsystem, bestehend aus Hochdruckpumpe, Zu- und Ableitungen und Einspritzdüse, kommen folgende Hauptaufgaben zu:
 Hochdruckerzeugung und Förderung,
 zeitliche Steuerung der Einspritzung,
 Regelung der Einspritzmenge (Dosierung),
 Gleichzuteilung (Mehrzylindermotor).
Der Ablauf von Zündung und Verbrennung des im Brennraum in Bewegung befindlichen inhomogenen Gemischs ist sehr komplex. Aus neueren Untersuchungen und Analysen ergeben
sich folgende Charakteristika während der Verbrennung im Dieselmotor:
 Zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn verstreicht eine bestimmte Zeit.
 Die Zündung erfolgt immer im verdampften Gemisch, das in der Regel von dem zuerst in
den Brennraum gelangten Brennstoff herrührt.
 Nach der Zündung wird sehr schnell das übrige gebildete Gemisch von der Verbrennung
erfasst.
 Die Mischungsvorgänge dauern während der Verbrennungsphase weiter an.
 Die Mischungsvorgänge im Brennraum beeinflussen den Verbrennungsablauf entscheidend.
 Es liegen im Brennraum zu gleichen Zeiten sowohl Bereiche mit sehr magerem als auch
mit sehr fettem Gemisch vor.
Der Zündverzug ist in der Praxis die Zeit, die zwischen dem Einspritzbeginn und dem ersten
durch die Verbrennung bedingten messbaren Druckanstieg liegt. Während des Zündverzugs
finden Gemischaufbereitungsvorgänge statt. Der Zeitpunkt der Zündung und damit der Zündverzug werden durch die Gemischzone bestimmt, in der die Gemischaufbereitung zuerst abgeschlossen ist /2/.
2.2
Dieselmotoremissionen
Im Folgenden sind die für den Dieselmotor wesentlichen Emissionen und deren Entstehung
beschrieben: CO, HC, NOx, Ruß und Partikel. Die Schadstoffkonzentrationen im Abgas sind
abhängig vom Luftverhältnis. Diese Abhängigkeit der Schadstoffkonzentrationen vom Luftverhältnis für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung zeigt Abbildung 2.2.
10
FEV
Abbildung 2.2: Schadstoffemissionen eines DI-Dieselmotors (n = 3000 min-1, ohne AGR) /2/

Kohlenmonoxid (CO)
Bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe wird grundsätzlich zunächst CO
gebildet, welches in einer nachfolgenden Reaktion zu CO2 oxidiert werden kann. Da
der Dieselmotor insgesamt mit mageren Verbrennungsluftverhältnissen betrieben wird,
ist genügend Sauerstoff für die CO-Oxidation vorhanden. Wieweit jedoch die örtlichen
hohen CO-Konzentrationen abgebaut werden, hängt entscheidend vom Gesamtluftverhältnis (Abbildung 2.2) sowie von der dieselmotorischen Prozessführung ab.
Der Anstieg der CO-Emissionen bei Annäherung an die Rußgrenze (Volllast) ist auf eine örtlich zu späte Durchmischung des zunächst gebildeten CO mit Sauerstoff zurückzuführen, sodass die Temperaturen zur Nachoxidation nicht ausreichen. Durch die niedrigeren Temperaturen in Wandnähe kann der Effekt deutlich verstärkt werden.

Kohlenwasserstoff (HC)
Die Kohlenwasserstoff-Anteile können durch zu stark abgemagerte Bereiche verursacht
werden, die bei niedrigen Temperaturen (Teillast) nicht rechtzeitig reagieren. Bei Annäherung an das Volllastluftverhältnis nimmt diese Ursache ab.
Durch örtlich sehr fettes Gemisch, wie es sich beim Auftreffen von Brennstoffstrahlen
an der Wand ergibt, können die HC-Emissionen ansteigen (Quench-Effekt). Rechtzeitige Durchmischung wirkt dem jedoch entgegen.

Stickoxide (NOx)
Stickoxide werden bei hohen Temperaturen aus Luftstickstoff und Luftsauerstoff gebildet. Daher erfolgt bei leicht überstöchiometrischer Verbrennung eine maximale NOxBildung. Bei geringeren Luftverhältnissen nimmt die NOx-Produktion aufgrund des
Sauerstoffmangels ab und bei höheren Luftverhältnissen verlangsamt sich die NOxBildung aufgrund sinkender Verbrennungstemperatur. Durch Gestaltung des Brennverfahrens, d.h. durch Einstellung des Verlaufs des lokalen Verbrennungsluftverhältnisses
sowie der Temperatur, wird entscheidend Einfluss auf die die NOx-Bildung genommen.
Bei Nebenkammermotoren wird durch die Verbrennung unter extremen Luftmangel in
der Nebenkammer sowie dem hohen Luftüberschuss im Hauptbrennraum der λ-Bereich
11
FEV
mit hoher örtlicher NOx-Bildung größtenteils umgangen. Bei Direkteinspritzer ist diese
wirkungsvolle Unterdrückung der NOx-Bildung nicht möglich, was dazu führt, dass die
NOx-Emissionen bei gleichen Randbedingungen höher sind als bei Nebenkammermotoren. Moderne Dieselmotoren verfügen jedoch über andere wirksame Maßnahmen, die
NOx-Bildung zu verringern. Hierzu zählt insbesondere die unten erläuterte Abgasrückführung.

Ruß und Partikel
Bei der Verbrennung unter extremem Luftmangel tritt Ruß auf und ist aufgrund des örtlich sehr inhomogenen Gemischs typisch für die Verbrennung im Dieselmotor. Die
Rußbildung wird in der Regel durch thermisches Cracken der Brennstoffmoleküle unter
Sauerstoffmangel eingeleitet und führt unter Abspaltung von Wasserstoff über Acetylen
und durch Polymerisation zu kohlenstoffreichen Makromolekülen, die dann zu den
endgültigen Rußteilchen agglomerieren. Ein Großteil des gebildeten Rußes wird bei
örtlich λ > 1 und T > 1300 K wieder oxidiert. Die Zunahme der Rußemission bei Annäherung an das stöchiometrische Luftverhältnis folgt aus der zunehmenden Ausdehnung
fetter Gemischzonen infolge der erhöhten Einspritzmenge. Abbildung 2.3 verdeutlicht
diesen Zusammenhang.
Abbildung 2.3: Rußbildung bei der dieselmotorischen Verbrennung /2/
Definitionsgemäß sind Partikel aus der dieselmotorischen Verbrennung Abgasbestandteile, die
auf einem definierten Filter abgeschieden werden, wenn Dieselabgas, das mit reiner gefilterter
Luft verdünnt wurde, durch das Filter gesaugt wird. Hierbei darf eine Temperatur von 52 °C
nicht überschritten werden. Hierzu zählen im wesentlichen Kohlenstoff, welcher auch als Ruß
bezeichnet wird, höher siedende Kohlenwasserstoffe, die zum Teil am Ruß angelagert sind,
und Sulfate. Einen geringen Anteil an der Partikelemission haben auch Korrosionsprodukte des
Motors und Verbrennungsprodukte von Additiven aus dem Motorenöl /75/ (Abbildung 2.4).
12
FEV
Kohlenstoff ist meist der Hauptbestandteil der partikulären Emissionen eines Dieselmotors. Er
setzt sich aus einem Anteil an elementarem Kohlenstoff (EC) und organischem Kohlenstoff
(OC) zusammen. Rußpartikel bestehen i. A. überwiegend aus elementarem Kohlenstoff; der
organische Kohlenstoff stammt überwiegend von nicht oder teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Dieselkraftstoff und dem Motorenöl. Die Sulfate im Dieselruß bilden sich
aus organischen Schwefelverbindungen im Dieselkraftstoff und Motorenöl /75/. Der Anteil der
einzelnen Komponenten kann u. a. in Abhängigkeit der Motorentechnologie, der Abgasnachbehandlung sowie des verwendeten Kraftstoffes stark variieren.
Abbildung 2.4: Typische Zusammensetzung und Quellen von Dieselabgaspartikeln /75/
Die Abgasrückführung (AGR) ist ein geeignetes Mittel, die NOx des Dieselmotors zu senken.
Durch die Rückführung von Abgas in den Zylinder ergeben sich folgende positive Aspekte /2/:



Anhebung der Wärmekapazität,
Absenkung der Sauerstoffkonzentration,
Absenkung der Spitzentemperatur.
Jedoch steigen im Allgemeinen die Partikelemissionen deutlich an, da die Rußbildung durch
die Verringerung der Sauerstoffzufuhr erleichtert wird. Stickoxid- und Rußemissionen verhalten sich somit bei Verstellung der motorischen Betriebsparameter gegenläufig zueinander. Man
spricht hierbei vom Partikel/NOx-Tradeoff. Ziel ist es daher, die gesamte Trade-off-Kurve zu
verschieben, um sowohl Partikel- als auch NOx-Emission zu verringern. Eine Maßnahme hierzu ist der Einsatz eines AGR-Kühlers. Durch die Kühlung sinkt zum einen nochmals die Spitzentemperatur der Verbrennung, so dass die Abgasrückführung um so wirksamer wird, zum
anderen erhöht sich die Saugrohrdichte und der Motor kann mehr Ladung aufnehmen. Dies
führt zu einer Erhöhung des Verbrennungsluftverhältnisses, was wiederum die Partikeloxidation erleichtert und damit den Rußausstoß reduziert. Die Wirkungsweise der Abgasrückführung
ist vereinfachend in nachstehender Abbildung 2.5 dargestellt.
13
FEV
Abbildung 2.5: Einfluss der Abgasrückführung
Die folgenden Abbildungen geben einen Überblick über die Entwicklung der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen in der Bundesrepublik seit 1980 sowie ihren Anteil an den Gesamtemissionen für das Jahr 1994. Der Kraftfahrzeugbestand hat in diesem Zeitraum um 50 % zugenommen und lag 1999 bei rund 45 Mio. Fahrzeugen. Trotz des steigenden Kraftfahrzeugbestands ist es in den letzten Jahren zu einem Rückgang der im Straßenverkehr emittierten gasförmigen Schadstoffe sowie der ausgestoßenen Partikelmasse gekommen.
14
FEV
Euro I
Euro III
Euro V
Euro VI
Euro IV
Euro II
1600
1400
Stickoxid /kt
1200
1000
- 86 %
800
600
400
200
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Abbildung 2.6: Entwicklung der Schadstoffemissionen im Straßenverkehr in der
Bundesrepublik Deutschland – Stickoxidemissionen /112/
Euro I
Euro III
Euro II
Euro V
Euro IV
Euro VI
40
35
Dieselpartikel /kt
30
25
20
- 94 %
15
10
5
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Bundesrepublik Deutschland – Partikelemissionen /112/
15
FEV
Bundesrepublik Deutschland – Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid /113/
Durch die Ausbreitung der Emissionen in der Atmosphäre entstehen Immissionen, die auf
Menschen, Tiere, Pflanzen oder Sachen einwirken. Das Feld der Immissionskonzentration wird
wesentlich bestimmt durch den Emissionsort und die Höhe der Emissionen. Hinzu kommen
klimatische Einflüsse wie Windstärke, Windrichtung, Temperatur und Sonneneinstrahlung. Für
Städte ist die Bebauung ein weiterer wichtiger Einflussfaktor.
Zu den reinen Ausbreitungsvorgängen kommen noch chemische Reaktionen hinzu, die bei stehender Luft über großen Städten und industriellen Ballungsgebieten zum sogenannten Smog
führen können.
16
FEV
Durch die Vielzahl der Einflussgrößen ist die Berechnung der Immissionen aus den Emissionen heute nur in einfachen Fällen möglich.
Der Abbau der Immissionen kann durch chemische Reaktionen in der Luft, durch Ausscheidung über Niederschläge oder durch Kontakte mit Boden und Vegetation erfolgen. Einen maßgeblichen Einfluss auf den Abbau haben sowohl das Klima als auch die geografische Lage.
CO2 weist mit 50 % den größten Anteil am derzeitigen anthropogenen Treibhauseffekt auf. Es
entsteht bei jeglicher Art der Verbrennung fossiler Energieträger und ist damit das wesentliche
Treibhausgas, das bei der motorischen Verbrennung anfällt. Der Verkehr ist derzeit mit 19 %
am CO2-Ausstoß in Deutschland beteiligt (Abbildung 2.9).
Abbildung 2.9: Kohlendioxid-Emissionen in Deutschland 2008 /2/
Die CO2-Emissionen eines Verbrennungsmotors bzw. Fahrzeugs sind direkt proportional zu
seinem Kraftstoffverbrauch. Die Umrechnungsfaktoren basieren auf der Zusammensetzung des
jeweiligen Kraftstoffs. Dabei spielt die Anzahl der C-Atome (Kohlenstoff) die entscheidende
Rolle. Bei der vollständigen Verbrennung von einem Liter Diesel entstehen ca. 2650 g CO2. So
muss der Kraftstoffverbrauch in l/100 km mit dem Faktor 26,5 multipliziert werden, um die
CO2 -Emissionen in g/km zu erhalten /2/.
17
Emissionsgesetzgebung und Kraftstoffqualität
FEV
3
3.1
EURO 6
EURO 5
EURO 4
60
40
EURO 3
80
EURO 2
100
EURO 1
CO-Emission
[%]
Durch die Emissionsgesetzgebung mit der Einführung von Euro 1 in Europa beim Pkw bzw.
Nutzfahrzeug werden die Schadstoffe
 unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC); hier wird in der Gesetzgebung vielfach zwischen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (Non-Methane Hydrocarbons – NMHC) und Methan (CH4) unterschieden,
 Kohlenmonoxid (CO),
 Stickoxide (NOx) und
 Dieselpartikel (PM)
limitiert. Die Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Pkw ist in der Abbildung
3.1 in grafischer Form dargestellt (Anm.: Sofern spezifische Grenzwerte für Dieselfahrzeuge
spezifiziert wurden, sind diese in der Abbildung dargestellt). Abbildung 3.2 zeigt ergänzend
hierzu eine detailliertere Darstellung für Diesel- und Otto-Pkw in Tabellenform. Es wird deutlich, dass eine signifikante Reduzierung aller Emissionen seit Einführung der Emissionsgesetzgebung stattgefunden hat und die CO-, NOx- und PM-Emissionsgrenzwerte in dem Zeitraum
von Euro 1 bis hin zu Euro 6 um rund 98 % abgesenkt wurden. Es ist anzumerken, dass mit der
Emissionsstufe Euro 5b zusätzlich ein Grenzwert für die Partikelanzahl eingeführt wurde.
-98%
Anmerkung:
Anmerkung:
gesetzliche
gesetzliche TestTestzyklen
zyklen wurden
wurden über
über
die
die Jahre
Jahre verändert
verändert
20
NOx-Emission
[%]
0
100
80
1970 1971 1975 1977 1979 1984 1988 1992 1996 2000 2005 2009 2014
Year
-98%
60
40
20
PM-Emission
[%]
0
100
80
1970 1971 1975 1977 1979 1984 1988 1992 1996 2000 2005 2009 2014
Year
60
-98%
Ab
Ab EURO
EURO 5b
5b zusätzlich
zusätzlich
Partikelanzahl-Grenzwert
11 // km
== 6x10
6x1011
km
40
20
0
1970 1971 1975 1977 1979 1984 1988 1992 1996 2000 2005 2009 2014
Year
Abbildung 3.1: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw
18
Stage
Date
CO
g/km
Compression Ignition (Diesel)
Euro 1†
1992.07
2.72 (3.16)
Euro 2, IDI
1996.01
1.0
Euro 2, DI
1.0
1996.01a
Euro 3
2000.01
0.64
Euro 4
2005.01
0.50
Euro 5a
0.50
2009.09b
c
Euro 5b
0.50
2011.09
Euro 6
2014.09
0.50
Positive Ignition (Gasoline)
Euro 1†
1992.07
2.72 (3.16)
Euro 2
1996.01
2.2
Euro 3
2000.01
2.30
Euro 4
2005.01
1.0
b
Euro 5
1.0
2009.09
Euro 6
2014.09
1.0
HC
FEV
HC+NOx
NOx
PM
-
0.97 (1.13)
0.7
0.9
0.56
0.30
0.23
0.23
0.17
0.50
0.25
0.18
0.18
0.08
0.14 (0.18)
0.08
0.10
0.05
0.025
0.20
0.10
0.97 (1.13)
0.5
-
0.15
0.08
0.06
0.06
-
0.10d
0.10d
0.005f
0.005f
0.005f
0.005e,f
0.005e,f
PN
#/km
6.0×1011
6.0×1011
t.b.d.
* At the Euro 1..4 stages, passenger vehicles > 2,500 kg were type approved as Category N 1 vehicles
† Values in brackets are conformity of production (COP) limits
a - until 1999.09.30 (after that date DI engines must meet the IDI limits)
b - 2011.01 for all models
c - 2013.01 for all models
d - and NMHC = 0.068 g/km
e - applicable only to vehicles using DI engines
f - 0.0045 g/km using the PMP measurement procedure
Abbildung 3.2: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw
und Otto-Pkw /4/
In Ergänzung zu der Entwicklung der Gesetzgebung sind in der folgenden Abbildung 3.3 die
vom KBA veröffentlichten Abgastypprüfwerte /40/ in der Entwicklung von Euro 1 bis Euro 6
dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Zulassungswerte zum Teil deutlich
die Emissionsgrenzwerte unterschreiten (dies gilt insbesondere für die Partikelemissionen für
Fahrzeuge mit Partikelfilter in den Emissionsstufen Euro 3 und Euro 4) und mit Euro 5 flächendeckend niedrigste Partikelwerte durch den Einsatz des Diesel-Partikelfilters erreicht werden. Es zeigt sich außerdem, dass bereits heute Euro-6-zertifizierte Pkw im Markt verfügbar
sind. Mit der flächendeckenden Einführung des Partikelfilters wird im Pkw-Bereich heute generell eine drastische Verringerung der Partikelmassenemissionen erreicht; auch Euro 3- und
Euro 4-Applikation waren zu einem erheblichen Anteil schon mit Partikelfilter im Markt verfügbar (Abbildung 3.4).
19
FEV
160
Partikel-Emissionen / mg/km
140
EURO 1
120
EURO 2
100
80
60 EURO 3
40
EURO 4
20
0
0
200
EURO 6 EURO 5
400
600
800
HC+NOX-Emissionen / mg/km
1000
1200
Abbildung 3.3: Zulassungswerte KBA für Diesel-Pkw /40/
60
Partikel-Emissionen / mg/km
55
EURO 3
50
45
40
35
30
EURO 4
25
20
15
10
EURO 6
5
0
0
EURO 5
100
mit Partikelfilter
200
300
400
NOX-Emissionen / mg/km
500
600
Abbildung 3.4: Zulassungswerte KBA für Diesel-Pkw (Details Euro 3 bis Euro 6) /40/
Abbildung 3.5 belegt in Ergänzung hierzu, dass nach der Einführung neuer Emissionsstufen
(hier beispielhaft dargestellt an den Emissionsstufen Euro 3 und Euro 4) eine schnelle Marktdurchdringung der neuen Emissionsstufen bei den Neuzulassungen erreicht wurde.
20
FEV
300
Grenzwerte N1
Grenzwerte N2
Grenzwerte N3
Partikelemission / (g/km)
250
Grenzwerte M1
200
alle PKW
PKW mit DPF
EU1
150
Verzögerte
Marktdurchdringung durch
Altfahrzeugbestand
EU2
100
50
EU3
EU4
EU5/ EU6
2016
2014
2012
2010
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
0
Jahr
Abbildung 3.5: Marktdurchdringung neuer Emissionsstufen (Datenbasis /40/)
Abbildung 3.6 zeigt die Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Nutzfahrzeugmotoren in grafischer Form; Abbildung 3.7 zeigt ergänzend hierzu eine detailliertere Darstellung der Emissionsgrenzwerte seit Euro 3 in Tabellenform. Es wird auch hier deutlich, dass
eine signifikante Reduzierung aller Emissionen seit Einführung der Emissionsgesetzgebung
stattgefunden hat. So wurden die Partikelgrenzwerte in dem Zeitraum von Euro 1 bis hin zu
Euro 6 um mehr als 99 % und die NOx-Grenzwerte um rund 96 % abgesenkt. Es ist anzumerken, dass auch bei den Nutzfahrzeugmotoren mit der Emissionsstufe Euro VI zusätzlich ein
Grenzwert für die Partikelanzahl eingeführt wird.
0.5
PM / g/kWh
0.4
Anmerkung:
Anmerkung:
gesetzliche
gesetzliche TestTestzyklen
zyklen wurden
wurden über
über
die
die Jahre
Jahre verändert
verändert
EURO1 I
Euro
0.3
EURO6 VI
Euro
0.2
Ab
Ab EURO
EURO VI
VI zusätzlich
zusätzlich
Euro
EURO2 II
0.1
Euro III
3
EURO
Euro
5
Euro 4IV
EURO V EURO
0.0
0
2
4
6
8
NO / g/kWh
10
x
Abbildung 3.6: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Nfz
21
Tier
Euro III
Date
1999.10,
EEVs only
2000.10
Euro IV
Euro V
Euro VI
FEV
Test
ETC
3.0
NMHC
0.40
CH4a
0.65
2.0
0.02
ETC
5.45
0.78
1.6
5.0
4.0
4.0
4.0
0.55
0.55
1.1
1.1
0.5
3.5
2.0
0.4
0.16
0.21c
0.03
0.03
0.01
2005.10
2008.10
2013.01
CO
0.16d
PMb
NOx
a - for gas engines only (Euro III-V: NG only; Euro VI: NG + LPG)
b - not applicable for gas fueled engines at the Euro III-IV stages
c - for engines with swept volume per cylinder < 0.75 dm 3 and rated power speed > 3000 min-1
d - THC for diesel engines
Abbildung 3.7: Entwicklung der europäischen Emissionsgrenzwerte für Diesel-Nfz /4/
In Ergänzung zu der Entwicklung der Gesetzgebung sind auch für Nutzfahrzeugmotoren in der
folgenden Abbildung 3.8 die KBA-Zulassungswerte /40/ in der Entwicklung von Euro 2 bis
Euro 5 dargestellt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die Zulassungswerte – insbesondere was die Partikelwerte angeht – zum Teil deutlich die Emissionsgrenzwerte unterschreiten.
Auch in den Zulassungswerten spiegelt sich die drastische Verringerung der Partikelmassenemissionen im Nfz-Bereich mit der Einführung der Emissionsstufe Euro 4 wieder. Dabei
sind Euro-4- und Euro-5-Konzepte sowohl mit als auch ohne Partikelfilter dargestellt; in Abbildung 3.8 sind die Konzepte mit Partikelfilter durch offene Symbole gekennzeichnet. Hintergrund ist hier die Tatsache, dass für Euro 5 die Mehrzahl der Nutzfahrzeughersteller einen Ansatz zur Darstellung der Euro-5-Grenzwerte mit einer innermotorischen Partikelabsenkung und
einer Reduzierung der NOx-Emissionen über die SCR-Technologie (siehe auch Kapitel 5.2.3.1)
wegen der damit verbundenen Verbrauchsvorteile verfolgt hat, während einige Hersteller auch
einen Ansatz mit innermotorischer NOx-Reduzierung und Einsatz eines Partikelfiltersystems
(siehe auch Kapitel 5.2.2) verfolgt haben. Ab Euro 6 ist die flächendeckende Einführung des
Partikelfilters auch bei Nutzfahrzeugmotoren zu erwarten. Euro-6-zertifizierte Nutzfahrzeuge
sind dabei erst seit kurzer Zeit im Markt verfügbar /41/, /42/, /43/.
0.16
EURO II
Partikelemissionen / g/kWh
0.14
EURO III
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
EURO V
0.02 EURO VI
0.00
0
EURO IV
mit Partikelfilter
1
2
3
4
5
NOX-Emissionen / g/kWh
6
7
Abbildung 3.8: Zulassungswerte KBA für Nutzfahrzeugmotoren /40/
Die zuvor beschriebenen Emissionsgrenzwerte werden für die Zulassung in definierten
Prüfzyklen abgeprüft, die bis heute im On-Road-Bereich weltweit nicht harmonisiert sind. Mit
22
FEV
der Einführung des „World-Harmonized Test Cycle“ für Nutzfahrzeugmotoren ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer weltweiten Harmonisierung erfolgt; im Pkw-Bereich gibt es auch
erste Vorschläge für eine „Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure“.
Die Zertifizierung von Pkw bzw. Nutzfahrzeugen unterscheidet sich grundlegend dahin gehend, dass beim Pkw eine Zertifizierung des Fahrzeugs erfolgt und die Testzyklen auf einem
Abgasrollenprüfstand gefahren werden, während im Nutzfahrzeugbereich ausschließlich der
Motor auf einem Motorenprüfstand zertifiziert wird. Dies liegt in der großen Variantenvielfalt
im Nutzfahrzeugbereich begründet, der eine Fahrzeugzertifizierung hier nicht sinnvoll macht.
In den EU-Ländern wird für Pkw- und leichte Nutzfahrzeugmotoren der sogenannte „Neue
Europäische Fahrzyklus“ (NEFZ/NEDC) als Testzyklus verwendet. Das Fahrprofil des NEFZ
teilt sich in zwei Phasen – in einen Stadtfahrtzyklus (ECE) und in einen Überlandzyklus
(EUDC) – auf (Abbildung 3.9).
Abbildung 3.9: Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ)
Bis zur Emissionsstufe Euro 2 war in Europa ausschließlich ein stationärer Emissionstest (ECE
R-49 ) erforderlich, der mit der Einführung von Euro 3 um einen transienten Test sowie einen
Rauchtest ergänzt wurde. In den EU-Ländern ist für die Zertifizierung bis Euro 5 ein Emissionsnachweis in den folgenden Testzyklen erforderlich, die in der Abbildung 3.10 grafisch dargestellt sind:
 ELR (European Load Response Test): transienter Rauchtest,
 ESC (European Stationary Cycle): stationärer Prüfzyklus,
 ETC (European Transient Cycle): transienter Prüfzyklus.
Mit der Einführung der Euro-6-Grenzwerte für Nutzfahrzeuge werden nicht nur die Abgasgrenzwerte reduziert und ein neuer Partikelanzahl-Grenzwert eingeführt, sondern es werden
zwei neue Test-Zyklen – WHSC (world harmonised stationary cycle) und WHTC (world harmonised transient cycle; dieser wird im Gegensatz zum ETC sowohl mit kaltem als auch warmem Motor getestet) – angewandt. Diese Zyklen beruhen auf weltweiten Untersuchungen der
Einsatzbedingungen von Nutzfahrzeugmotoren und berücksichtigen sowohl den wichtigen
23
FEV
Drehzahlbereich des maximalen Drehmoments als auch den unteren Drehzahl- und Teillastbereich. Sie stellen insbesondere wegen des kalt gestarteten transienten Zyklus zusätzliche Anforderungen an die Emissionsminderung. Die neuen Prüfzyklen (WHTC und WHSC) haben
aufgrund des hinzukommenden Kaltstarttests sowie der Haltezeit (Soak-Phase) vor dem Warmtest niedrigere Abgastemperaturniveaus über den Gesamtzyklus zur Folge und stellen damit
eine zusätzliche Anforderung an die Emissionsminderung. Neben den neuen Testzyklen existiert noch ein sogenannter NTE-Bereich (Not-to-Exceed-Bereich), in dem in einem weiten
Kennfeldbereich in keinem Betriebspunkt der Grenzwert um mehr als 50 % überschritten werden darf.
Abbildung 3.10: ESC-, ELR- und ETC-Testzyklen für Nfz, Euro 3 bis 5
Abbildung 3.11: WHSC- und WHTC-Testzyklen für Nfz, ab Euro 6
Seit der Einführung von Euro 3 im Pkw-Bereich bzw. Euro 4 beim Nutzfahrzeugmotor müssen
die Emissionswerte nicht nur für ein neues Fahrzeug bzw. einen neuen Motor nachgewiesen
werden, sondern es muss auch ein Nachweis über die Stabilität der Emissionen über die Laufzeit geführt werden. Hierzu ist entweder ein Verschlechterungsfaktor für die Emissionen über
24
FEV
einen entsprechenden Dauerlauf zu bestimmen oder ersatzweise ein für die verschiedenen
Emissionskomponenten durch die Gesetzgebung vorgegebener Verschlechterungsfaktor heranzuziehen. Abbildung 3.12 (für Pkw) und Abbildung 3.13 (für Nutzfahrzeuge) zeigen die entsprechenden Nachweisdauern für die Emissionsstabilität abhängig von der Emissionsgesetzgebungsstufe. Darüber hinaus ist für die Zertifizierung auch ein Nachweis der Funktionalität der
emissionsrelevanten Komponenten im regulären Betrieb („In-Service Conformity“) erforderlich.
Des Weiteren müssen seit Euro 3 beim Pkw-Motor bzw. Euro 4 beim Nutzfahrzeugmotor alle
Fahrzeuge mit einem On-Board-Diagnose-System (OBD) ausgestattet sein, mit dem die Funktion der emissionsrelevanten Komponenten überwacht und das Überschreiten der Emissionswerte durch Ausfall oder Defekt eines emissionsrelevanten Bauteils detektiert werden kann.
Euro 3
80.000 km or 5 years
(whichever occurs first)
Stage
Euro 4
Euro 5/6
in-service conformity:
durability testing for type approval:
Abbildung 3.12: Nachweisdauern für Emissionsstabilität Pkw /4/
Vehicle Category†
N1 and M2
N2
N3 ≤ 16 ton
M3 Class I, Class II, Class A, and Class B ≤ 7.5 ton
N3 > 16 ton
M3 Class III, and Class B > 7.5 ton
Period*
Euro IV-V
Euro VI
100 000 km / 5 years
160 000 km / 5 years
200 000 km / 6 years
300 000 km / 6 years
500 000 km / 7 years
700 000 km / 7 years
† Mass designations (in metric tons) are “maximum technically permissible mass”
* km or year period, whichever is the sooner
Abbildung 3.13: Nachweisdauern für Emissionsstabilität Nutzfahrzeuge /4/
Es lässt sich zusammenfassend festhalten, dass sowohl im Pkw- als auch im Nutzfahrzeug die
Emissionsgrenzwerte in Europa seit Einführung der Emissionsgesetzgebung signifikant bis
über 90 % reduziert wurden. Dies ging mit der Einführung verschärfter Testzyklen aber auch
der zusätzlichen Einführung von Maßnahmen zur Überwachung der Emissionsstabilität einher.
Im Hinblick auf die Partikelemission stellt die Einführung eines Partikelanzahlgrenzwerts mit
Euro 5b beim Pkw bzw. Euro 6 beim Nutzfahrzeug eine zusätzliche Verschärfung dar, die
wohl den Einsatz eines Diesel Partikelfilters (DPF) in Zukunft unabdingbar machen wird.
3.2
Kraftstoffqualität
Die Emissionsgesetzgebung ist eng mit Bestimmungen zur Kraftstoffqualität verknüpft, da
niedrigste Emissionsgrenzwerte und die damit verbundene Einführung einer Vielzahl neuer
25
FEV
Technologien (siehe Kapitel 5) nur in Kombination mit einer entsprechenden Kraftstoffqualität
möglich ist.
Die Dieselkraftstoffqualität wird europaweit seit 1993 in dem EN590-Standard spezifiziert. Mit
der Einführung der Norm im Jahre 1993 wurde in Europa u. a. ein Schwefellimit von 0,2 %
etabliert, das bis heute auf einen maximalen Schwefelgehalt von 10 ppm (0,001 %) reduziert
wurde. Darüber hinaus wurde der Kraftstoff auch hinsichtlich weiterer Spezifikationen wie
Dichte, Cetanzahl sowie Asche- und Wassergehalt reglementiert (Abbildung 3.1). Seit 1994
wird über die DIN EN590 auch der Anteil an Bio-Diesel (FAME) reglementiert, der maximal
zulässige FAME-Anteil stieg dabei von 5 % seit 2004 auf 7 % ab 2009 an.
Diese signifikanten Veränderungen der Kraftstoffqualität sind neben den signifikanten technologischen Veränderungen des Dieselmotors über die letzten Jahrzehnte bei der Beurteilung der
Partikelemissionen eines Euro-1-Motors im Vergleich zu einem modernen Euro-6-Motor zu
berücksichtigen.
DIN 51601
02/1986
DIN EN
590
05/1993
DIN EN
590
02/1999
DIN EN
590
02/2000
DIN EN
590
03/2004
DIN EN
590
10/2009
DIN EN
590
05/2010
Dichte [kg/m3]
820 .. 860
820 .. 860
820 .. 860
820 .. 845
820 .. 845
820 .. 845
820 .. 845
Schwefelanteil
[%]
0,30
0,05
0,035
0,005 /
0,001
0,001
0,001
< 11
< 11
< 11
<8
PAH [%]
Cetanzahl [-]
> 45
> 49
> 49
> 51
> 51
> 51
> 51
> 46
> 46
> 46
> 46
> 46
> 46
< 65
> 85
< 65
> 85
< 65
> 85
< 65
> 85
< 65
> 85
< 65
> 85
< 65
> 85
Asche [%]
< 0,02
< 0,01
< 0,01
< 0,01
< 0,01
< 0,01
< 0,01
Wassergehalt
[mg/kg]
< 500
< 200
< 200
< 200
< 200
< 200
< 200
< 5,0
< 7,0
< 7,0
Cetanindex [-]
Siedeverlauf
bis 250°C [%]
bis 350°C [%]
FAME-Anteil [%]
Abbildung 3.14: Entwicklung der Kraftstoffqualität – ausgewählte Kraftstoffeigenschaften
Die signifikante Verbesserung der Kraftstoffqualität über die letzten Jahrzehnte wird insbesondere an der Entwicklung des maximalen Schwefelgehalts im Kraftstoff seit dem Jahr 1965
deutlich (Abbildung 3.15). In dem Zeitraum seit 1965 konnte der Schwefelgehalt im DieselKraftstoff von 1 % auf unter 0,001 % und damit um mehr als 99,5 % bis zum Jahr 2005 und
sogar mehr als 99,9 % im Vergleich zu heute reduziert werden. Dieser Reduktion des Schwefelgehalts kommt eine direkte Bedeutung hinsichtlich der Partikelemission von Dieselmotoren
zu, da insbesondere mit dem Einsatz eines Oxidationskatalysators die aus dem Kraftstoffschwefel gebildete Schwefelsäure bedingt durch das gesetzlich vorgeschriebene Analyseverfahren (siehe Kapitel 4.1) zur Partikelmasse beiträgt und somit die Erreichung strenger PMGrenzwerte mit hohen Schwefelgehalten im Kraftstoff nicht möglich ist (siehe auch Kapitel
26
FEV
6.3). Es ist in diesem Zusammenhang auch festzuhalten, dass mit der Einführung verbesserter
Kraftstoffe – und hier insbesondere Kraftstoffe mit deutlich reduziertem Schwefelanteil – eine
unmittelbare Verbesserung der (Partikel-)Emissionen für alle Fahrzeuge im Markt – und damit
insbesondere auch der älteren Fahrzeuge – erreicht werden konnte.
In diesem Zusammenhang sei auch auf die Anstrengungen zur weltweiten Harmonisierung der
Kraftstoffqualitäten /92/ verwiesen.
1.2
EUROPA:
DIN EN 590
Schwefelgehalt / Gew.%
Deutsche Norm: DIN 51601
1.0
0.8
0.6
-99,5%
0.4
0,300
0,200
0.2
< 0,001 %
Freiwillige Markteinführung
in Deutschland ab 2003
0,050
0.0
1965
1975
Quelle: Shell
1985
1995
Jahr
Abbildung 3.15: Entwicklung des Kraftstoffschwefelgehalts
0,035
0,005
2005
27
Partikelmesstechnik
4
FEV
Partikelmesstechnik
Die im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Partikel werden nach EG-Richtlinie von
1970 als Abgasbestandteile definiert, die bei einer Temperatur von max. 325 K (52 °C) im verdünnten Abgas mit hydrophoben, gegen die Abgasbestandteile inerten Filtern abgeschieden
werden /83/. Als Filtermaterial kommen dabei beispielsweise fluorcarbonbeschichtete Glasfaserfilter infrage. Die emittierten Partikel unterscheiden sich naturgemäß hinsichtlich ihres chemischen Aufbaus, ihrer Dichte, ihrer Form und ihrer elektrischen Aufladung. Eine einfache
Klassifizierung wird dadurch erheblich erschwert, weshalb sich die Anwendung gewisser vereinheitlichter Äquivalentdurchmesser durchgesetzt hat (Abbildung 4.1). Der Äquivalentdurchmesser ist dabei derjenige Durchmesser eines kugelförmigen Partikels, der sich in einem bestimmten Experiment genauso verhält wie das zu beschreibende Partikel /82/. Als StokesÄquivalentkugel wird dabei eine Kugel mit gleicher Dichte und gleicher Sinkgeschwindigkeit
bezeichnet. Die aerodynamische Äquivalentkugel verfügt ebenfalls über die gleiche Sinkgeschwindigkeit wie das betrachtete Partikel, jedoch über eine normierte Dichte von 1000 kg/m³.
Abbildung 4.1: Beispiele für gebräuchliche Äquivalentdurchmesser /82/
In der bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlungssystemen
eingesetzten Partikelmesstechnik kommen sehr unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Die
Partikel werden dabei durch stark voneinander verschiedene Mechanismen hinsichtlich ihrer
physikalischen Eigenschaften klassifiziert, was die Vergleichbarkeit der so gewonnenen Ergebnisse deutlich erschwert. Gebräuchlich sind die in Tabelle 1 aufgeführten Verfahren, die
sich hinsichtlich Messgröße und Messstoff wie gezeigt unterscheiden.
28
Partikelmesstechnik
FEV
Besonders problematisch bei der Partikelmessung ist die Unterscheidung zwischen festen und
flüssigen Bestandteilen. Die oben erwähnte Definition der EG-Richtlinie führt zu einer unscharfen Trennung dieser beiden Bestandteile, weshalb eine eindeutige Zuordnung zwischen
Partikeln nach dieser Definition und dem Begriff „Ruß“ nicht möglich ist. Um nur feste Partikel zu messen, besteht allerdings die Möglichkeit, die flüchtigen Bestandteile zu entfernen.
Dies geschieht beispielsweise durch Thermodesorption oder zweistufige Verdünnung. Bei der
Thermodesorption wird die Abgasprobe zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die
flüchtigen Bestandteile gasförmig vorliegen, und anschließend auf einem geeigneten Material
(beispielsweise Aktivkohle) adsorbiert. Bei der zweistufigen Verdünnung wird die Probe zunächst mit heißer, partikelfreier Luft verdünnt. Dies stellt sicher, dass die flüchtigen Bestandteile in gasförmiger Phase vorliegen. Im zweiten Schritt wird mit kalter Luft verdünnt, sodass
die Konzentrationen der flüchtigen Bestandteile sicher unterhalb der für eine Kondensation in
die flüssige Phase notwendigen Grenze liegen /84/.
Tabelle 1: Partikelmessverfahren
Verfahren
Messgröße
Gravimetrie
Partikelkonzentration
Trübung
Licht-Absorptionskoeffizient
Streulicht
Anzahl
Impaktion
Differenzielle
Mobilitätsanalyse
Messstoff
Partikel nach Definition1)
Ruß
Feststoffpartikel
mit geeigneter Konditionierung 2)
Anzahl und Verteilung
Feststoffpartikel
bzgl. aerodynamischem Durchmesser mit geeigneter Konditionierung2)
Anzahl und Verteilung
Feststoffpartikel
bzgl. Mobilitätsdurchmesser
mit geeigneter Konditionierung2)
1)
Abgasbestandteile, die bei einer Temperatur von höchstens 52 °C nach Verdünnung der Abgase mit gefilterter
Luft an einem hydrophoben, gegen die Abgasbestandteile inerten Filtermaterial abgeschieden werden, sind als
Partikel definiert /83/.
2)
Entfernung flüchtiger Bestandteile durch Thermodesorption oder zweistufige Verdünnung (beheizt/unbeheizt).
4.1
Gravimetrie
Mit Gravimetrie bezeichnet man ein Verfahren zur Bestimmung der emittierten Partikelmasse.
Zur Verringerung kondensierter Abgasbestandteile entsprechend des zuvor erwähnten Prinzips
erfolgt dazu eine Verdünnung des Abgases. Man unterscheidet hierbei Vollstrom- und Teilstromverdünnungsverfahren. Im Vollstromverdünnungsverfahren wird das Abgas mit gereinigter Luft mit konstantem Volumenstrom (engl.: Constant Volume Sampling, CVS) verdünnt
(Abbildung 4.2). Ein Teil des verdünnten Abgases wird über zwei Partikelprobenfilter geleitet,
auf dem die Partikel abgeschieden werden und welche vor und nach Ende des Tests gewogen
werden. Bei Fahrzeugen ergibt sich mit den auf der Rolle gefahrenen Kilometern das Testergebnis in der Einheit g/km. Bei Nutzfahrzeugmotoren, welche am Motorenprüfstand getestet
werden, ergibt sich mit der vom Motor abgegebenen, über den Test gemittelten Energie am
Schwungrad das Testergebnis in der Einheit g/kWh.
29
Partikelmesstechnik
FEV
Abbildung 4.2: Vollstromverdünnungsverfahren /2/
4.2
Trübungsverfahren
Ein besonders einfaches und weitläufig eingesetztes Verfahren zur schnellen Beurteilung des
Partikelinhalts im Abgas ist die Trübungs- oder auch Opazitätsmessung (Abbildung 4.3). Hierbei wird die Abschwächung eines Lichtsignals über eine bestimmte Distanz bestimmt, aus welcher ein Absorptionskoeffizient bestimmt wird. Dieser ist für Nutzfahrzeuge gesetzlich limitiert.
Abbildung 4.3: Trübungsmessverfahren /5/
30
Partikelmesstechnik
4.3
FEV
Partikelzähler (Streulicht)
Die Streulichtmessung ist das derzeitige Standardverfahren zur Bestimmung der Partikelanzahl
im Abgas. In einem beheizten Sättigungsrohr befindet sich eine übersättigte Butanollösung,
durch die das Probegas geleitet wird (Abbildung 4.4). Die enthaltenen Partikel fungieren im
anschließenden Kondensationsrohr als Kondensationskerne, was durch die Anlagerung des
Butanols eine deutliche Vergrößerung der Partikel zur Folge hat. Diese vergrößerten Partikel
sind in der Lage, eine Ablenkung eines Laserstrahls so hervorzurufen, dass eine Empfangsoptik
dieses Ereignis registriert. Von der Partikelvergrößerung durch Kondensation und der anschließenden Zählung leitet sich der Name für das System ab – Condensation Particle Counter,
kurz CPC. Eine Unterscheidung hinsichtlich der Partikelgröße ist mit dem CPC nicht möglich.
Das Verfahren ist hinsichtlich der Messgeschwindigkeit geeignet, um instationäre Vorgänge zu
beobachten.
Abbildung 4.4: Kondensationskernzähler /82/
4.4
Impaktion
Eine Möglichkeit, die Abgaspartikel hinsichtlich Größe und Verteilung zu klassifizieren, bietet
die Impaktion (Abbildung 4.5). Der Abgasstrom wird hierbei nach Durchtritt durch die Düsenplatte scharf umgelenkt, worauf die Partikel ab einem bestimmten aerodynamischen Durchmesser durch Trägheit an der Prallplatte abgeschieden werden. Durch die Verschaltung mehrerer Impaktionsstufen, bei denen der Durchmesser in den Düsenplatten abnimmt, ergibt sich ein
sogenannter Kaskadenimpaktor. Die Prallplatten werden anschließend gewogen, woraus sich
eine Massenverteilung ergibt. Eine Anzahlverteilung wird gewonnen, wenn die Prallplatten mit
Elektrometern ausgestattet sind, welche beim Auftreffen eines Partikels einen elektrischen Impuls abgeben. Man spricht in diesem Fall von einem ELPI, einem Electrical Low Pressure Impactor. Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit der kontinuierlichen Datenaufnahme und ge-
31
Partikelmesstechnik
FEV
währt einen schnellen Einblick in die Größenverteilung der Partikel. Nachteilig ist das begrenzte Auflösungsvermögen durch die Einteilung in Stufen.
Abbildung 4.5: Kaskadenimpaktor /82/
4.5
Differenzielle Mobilitätsanalyse
Eine weitere Möglichkeit zur Klassierung der Partikelgrößen bietet die differenzielle Mobilitätsanalyse mittels elektrostatischen Klassierers (Abbildung 4.6). Dieser besteht im Wesentlichen aus einer radioaktiven Kryptonquelle und zwei koaxial angeordneten Hohlzylindern, zwischen denen eine elektrostatische Spannung angelegt wird. Die Kryptonquelle stellt ein bipolares Ladungsgleichgewicht auf den Partikeln her. Entlang des inneren, negativ geladenen Zylinders (Zentralelektrode) wird partikelfreie Luft geleitet; das partikelbehaftete Abgas wird entlang des äußeren Zylinders (Außenelektrode) durch einen Ringspalt zugeführt. Durch die angelegte Hochspannung wirkt eine radial nach innen wirkende Kraft auf die positiv geladenen Partikel, welche je nach Höhe der Spannung und ihrer elektrischen Mobilität in einer bestimmten
Höhe auf die Zentralelektrode treffen. Durch einen Ringspalt in der Zentralelektrode wird auf
einer definierten Höhe Luft abgesaugt, welche eine von der angelegten Spannung abhängige
Mobilitätsfraktion der Partikel enthält /6/.
32
Partikelmesstechnik
FEV
Die enthaltenen Partikel können anschließend in einer Zählvorrichtung (beispielsweise einem
Elektrometer oder einem CPC) gezählt werden. Durch Variation der elektrostatischen Hochspannung wird so eine Korrelation zwischen Partikelgröße und Anzahl, die sogenannte Anzahlverteilung, hergestellt. Man spricht dann von einem „Scanning Mobility Particle Sizer
Spectrometer“ (SMPS, Abbildung 4.7). Es handelt sich hierbei um ein nicht-online-fähiges
Messverfahren; es ist also nur möglich, stationäre Motorbetriebspunkte zu vermessen. Es besteht allerdings die Möglichkeit, den Klassierer auf einen festen Größenklassenwert einzustellen, sodass dann auch nur diese Fraktion den Zähler passiert. Das Ergebnis ist dann ein zeitlich
aufgelöstes Anzahl-Signal dieser einen Größenklasse.
Abbildung 4.6: Elektrostatischer Klassierer /82/
Die differenzielle Mobilitätsanalyse bietet durch die stufenlos einstellbare Spannung an den
Elektroden eine sehr hohe Auflösung. Der Zusammenhang zwischen dem realen Partikeldurchmesser und der elektrischen Mobilität ist allerdings nicht linear, sondern von mehreren
Einflussfaktoren abhängig und somit nicht trivial. Die Ergebnisse sind deshalb auch nur bedingt vergleichbar mit denen des Kaskadenimpaktors.
33
Partikelmesstechnik
FEV
Abbildung 4.7: SMPS-Partikelanalysator von TSI Inc. /6/
4.6
Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS)
Das Prinzip des Engine Exhaust Particle Sizer der Firma TSI beruht auf der elektrischen Mobilitätsklassifikation. Das EEPS gehört zu der Gruppe der schnell messenden Größenspektrometer und wurde speziell für Motorenabgase entwickelt. Das EEPS misst mit hoher Zeitauflösung
Partikelgrößenverteilungen zwischen 5,6 und 560 nm. Beschreibungen des Systems finden sich
u.a. in /111/, /114/, /115/ und /116/.
Zur Minimierung von Diffusionsverlusten wird ein hoher Probeentnahmestrom von 10 l/min
über eine im Messgerät eingebaute und von diesem überwachte Pumpe bei Umgebungsdruck
angesaugt. In einem Zyklon am Einlass werden zunächst alle Partikel mit einem Durchmesser
> 1,0 μm abgeschieden, um eine Beeinflussung der Messung durch Partikel außerhalb des
Messbereichs zu vermeiden. In einem zweistufigen Corona-Auflader werden die Partikel abhängig von der Größe definiert elektrisch aufgeladen. Nach dem Passieren des Aufladers gelangt die Aerosolprobe in eine Elektrometersäule. Der Außenring der Säule besteht aus voneinander isolierten Elektrometern, die definierten Größenklassen zugeordnet sind. Zu den Elektrometern sind im Zentrum konzentrisch drei positiv aufgeladene Hochspannungselektroden
angeordnet, an denen unterschiedliche Spannungen anliegen. Auf diese Weise werden in der
Säule unterschiedlich starke elektrostatische Felder erzeugt.
34
Partikelmesstechnik
FEV
Abbildung 4.8: EEPS Funktionsprinzip
Über die Elektrometerringe strömt ein partikelfreier Luftstrom, der ein Kräftegleichgewicht aus
Strömungskraft und elektrostatischer Anziehung erzeugt. Die von der Innenelektrode abgestoßenen Partikel werden aufgrund unterschiedlicher Mobilitäten durch den Schleierluftstrom
bewegt. Partikel mit einer hohen elektrischen Mobilität werden auf den oberen Elektrometer
abgeschieden, während elektrisch weniger mobile Partikel bis an die unteren Elektrometer vordringen.
Beim Auftreffen der definiert geladenen Partikel auf ein Elektrometer wird die Ladung an diesen abgegeben. Je mehr Partikel ihre Ladung an einem Elektrometer abgeben, desto stärker ist
das Signal des Elektrometers der entsprechenden Größenklasse. Der erzeugte Strom wird durch
ein hochempfindliches Elektrometer verstärkt. Die Elektrometersignale werden geräteintern in
einem digitalen Signalprozessor verarbeitet und als Gesamtpartikelkonzentration sowie Partikelgrößenverteilung ausgegeben.
35
Partikelmesstechnik
FEV
Nachstehende Abbildung zeigt den Vergleich einer EEPS- mit einer SPMS-Messung am Beispiel eines Nutzfahrzeugmotors. Im Hinblick darauf, dass beide Messverfahren mit gewissen
Ungenauigkeiten behaftet sind, wird eine hohe Übereinstimmung erreicht.
Abbildung 4.9: Vergleich von SMPS- und EEPS-Partikelgrößen-Verteilung für einen Nutzfahrzeugmotor /111/
4.7
Gesetzliche Vorschriften zur Partikelmessung
Die Partikelmesstechnik ist nicht nur im Hinblick auf das Messprinzip selbst, sondern auch auf
die Probenahme sehr komplex. Dem gegenüber stehen hohe Anforderungen an die Messtechnik, da die gesetzlich vorgeschriebenen sehr geringen Partikelemissionen verlässlich nachgewiesen werden müssen. Um die ermittelten Emissionswerte vergleichbar zu machen und Messfehler zu reduzieren, sind die Messungen daher in gesetzlichen Vorschriften detailliert geregelt.
4.7.1 Partikelmassenmessung
Für die Zertifizierung von Fahrzeugen und Motoren hinsichtlich der emittierten Partikelmasse
kommt das bereits beschriebene Gravimetrieverfahren zum Einsatz. Für Personenkraftwagen
wird das dargestellte Vollstromverdünnungsverfahren eingesetzt und bei Nutzfahrzeugen ist
zusätzlich der Einsatz eines Teilstromverfahrens geregelt. Das Verfahren ist für PKW im Anhang 4 der ECE-Richtlinie Nr. 83 gesetzlich geregelt /99/.
4.7.2 Partikelanzahlmessung
Die Partikelanzahlmessung ist für Pkw im Anhang 5 der ECE-Richtlinie Nr. 83 vorgeschrieben. Die Partikel werden ebenfalls aus dem vollstromverdünnten Abgas entnommen, durch
eine Einheit zur Entfernung flüchtiger Bestandteile geleitet und einem Kondensationskernzähler (CPC: Condensation Particle Counter) zugeführt. Die Funktion des CPC ist bereits in Kapitel 4.3 beschrieben. In der nachfolgenden aus der EG-Richtlinie entnommenen Abbildung ist
zusätzlich das Partikelentnahme- und Aufbereitungssystem dargestellt. Das Abgas wird über
ein Entnahmeröhrchen (PSP: particulate sampling probe), einen Partikelvorabscheider zur Abscheidung nicht relevanter großer Partikel ab 2,5 µm (PCF: Particle pre-classifier) sowie ein
36
Partikelmesstechnik
FEV
Abgasleitungssystem (PTT: particle transfer system) der Apparatur zur Entfernung flüchtiger
Bestandteile zugeführt (VPR: volatile particle remover). Hierbei kommen zwei Verdünnungsstufen (PND: particulate number diluters) zum Einsatz, die durch ein beheiztes Verdampferrohr
(ET: heated evaporation tube) verbunden sind. Aufgabe dieser zweistufigen Verdünnung ist es,
die im Abgas befindliche Partikelkonzentration auf den optimalen Messbereich des nachgeschalteten Partikelzählers zu reduzieren und andererseits eine Partikelagglomeration und die
damit verbundene Reduktion der Partikelanzahl zu vermeiden.
Abbildung 4.10: In EG-Richtlinie 83 empfohlenes Probenahmesystem zur Partikelanzahlmessung /100/
Für Nutzfahrzeuge ist in der EG-Regelung Nr. 49 ein ähnliches System zur Partikel-Probenahme aus dem Vollstrom beschrieben. Darüber hinaus ist in der Richtlinie die Probenahme
aus einem Teilstrom geregelt. Nachfolgende Abbildung zeigt den hierzu in der Richtlinie empfohlenen Aufbau.
Abbildung 4.11: In EG-Richtlinie 49 empfohlenes Teilstrom-Probenahmesystem zur Partikelanzahlmessung bei Nutzfahrzeugen /101/
37
Partikelmesstechnik
4.8
FEV
Zusammenfassung
Die Messung motorisch emittierter Partikel hinsichtlich Masse und Anzahl stellt eine große
Herausforderung dar, da die gemessenen Werte nicht nur stark vom verwendeten Messprinzip,
sondern auch von der eingesetzten Probenahmetechnik abhängig sind. Gleichzeitig sind die
Partikelgrenzwerte heutiger und zukünftiger Emissionsvorschriften sehr gering, sodass entsprechend geringe Partikelkonzentrationen messtechnisch nachgewiesen werden müssen. Teilweise liegen die zu erfassenden Konzentrationen im Abgas deutlich unterhalb der Partikelbelastung der normalen Umgebungsluft. Aus beiden Faktoren resultieren hohe Ungenauigkeiten
in den Messungen und es ist ein hoher technischer Aufwand notwendig, um verlässliche Messergebnisse zu erhalten. Dies spiegelt sich auch darin wider, dass die Messprinzipien und
-apparaturen in den gesetzlichen Richtlinien detailliert vorgeschrieben sind.
38
5
5.1
Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsreduktion
FEV
5.1.1 Einspritztechnik
Das Prinzip des Dieselmotors beruht darauf, dass der in den mit verdichteter heißer Luft gefüllte Brennraum eingespritzte Kraftstoff durch Selbstentzündung verbrennt. Der Kraftstoff wird
dabei gegen Ende der Verdichtung durch eine Einspritzdüse direkt bzw. indirekt in den Brennraum gespritzt. Mit der eingespritzten Menge wird die Last des Motors geregelt. Je nach Auslegung der Einspritzanlage und Last beträgt der Druck vor der Düse während der Einspritzung
150 bis über 2200 bar. Die Einspritzung erstreckt sich bei Volllast je nach Brennverfahren und
Ansaugzustand (Saugmotor oder aufgeladener Motor) über ein Kurbelwinkelintervall von 15
bis 50 °KW. Das ursprünglich eingesetzte Verfahren zur Gemischaufbereitung, die Einspritzung des Kraftstoffs in eine mit dem Hauptbrennraum verbundene Nebenkammer, wurde von
der direkten Einspritzung in den Hauptbrennraum abgelöst (Abbildung 5.1). Die Direkteinspritzung erübrigt die sonst für den Kaltstart benötigte Glühkerze und ermöglicht zudem einen
geringeren Kraftstoffverbrauch, insbesondere durch den Wegfall der Überströmverluste durch
die stark drosselnden Vorkammerbohrungen. Die Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft erfährt dabei eine starke Verbesserung durch die Verwendung mehrerer Einspritzlöcher. Hierdurch wird die Partikelemission bereits stark reduziert /2/.
Abbildung 5.1: Direkte und indirekte Einspritzverfahren /80/
39
FEV
Bis ca. Mitte der 1990er Jahre waren hauptsächlich mechanisch geregelte Einspritzverfahren in
Verwendung (Abbildung 5.2). Diese wurden durch elektronische Systeme verdrängt, welche
einerseits höhere Einspritzdrücke und zudem eine voll flexible Formung des Einspritzverlaufs
ermöglichen. So erlauben Common-Rail-Systeme mittlerweile die Aufteilung der Einspritzung
in mehrere Einzeleinspritzungen mit variablem Spritzbeginn und variabler Spritzdauer mit
konstanten Drücken bis über 2200 bar /79/. Dabei wird die Gesamteinspritzmenge unterteilt in
Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, welche beispielsweise den Druckverlauf (und somit
u. a. die Geräuschentwicklung) beeinflussen oder gezielt Abgasnachbehandlungssysteme aufheizen.
Abbildung 5.2: Entwicklung der Einspritztechnologie und -drücke /79/
Die Anhebung des Einspritzdrucks führt zu kleineren Kraftstofftröpfchen und wirkt sich somit
positiv auf die Vermischung von Kraftstoff und Luft aus, was wiederum zu einer verbesserten
Verbrennung mit weniger Rückständen (Ruß) führt. Dabei werden die Partikel sämtlicher Größenklassen deutlich vermindert. Auch die gezielte Beeinflussung des Einspritzbeginns wirkt
sich erheblich auf die Partikelemissionen aus /81/.
5.1.2 Ladungsbewegung
Eine für den Verbrennungsablauf wichtige Kenngröße beim dieselmotorischen Verbrennungsprozess stellt die Ladungsbewegung dar. Durch eine gezielte Beeinflussung der Ladungsbewegung kann zum einen die Gemischaufbereitung verbessert und zum anderen die turbulente kinetische Energie im Zylinder erhöht und damit die Verbrennung beschleunigt werden. Die
Strömungs- und Turbulenzstruktur im Hubkolbenmotor ist im Allgemeinen nur durch ein 3dimensionales, instationäres Feld beschreibbar. Die einfachsten Hauptströmungsformen sind
Wirbel um die Zylinderachse („Drall“) und senkrecht zur Zylinderachse („Tumble“)
(Abbildung 5.3) /2/.
40
FEV
Abbildung 5.3: Drall- und Tumbleströmung /2/
Für die Generierung der Drallströmung sind in erster Linie die Geometrie und die Anordnung
der Einlasskanäle entscheidend. Durch Variation der Steuerzeiten kann die Drallintensität zusätzlich verstärkt werden. Der Einfluss der Kolbengeometrie auf die Drallströmung ist abgesehen von der Beschleunigung in der Mulde gegen Ende der Verdichtung (Muldendrall) meist
gering. Bei der Tumbleströmung wird die Strömung zusätzlich vom Kolben umgelenkt, sodass
neben den Ladungswechselorganen auch die Geometrie der Kolbenkrone einen hohen Einfluss
auf die Ausbildung der Tumbleströmung hat /2/.
5.1.3 Abgasrückführung
Zur Absenkung der Stickstoffoxide hat sich als verbrennungsbeeinflussende Maßnahme die
Abgasrückführung (AGR) etabliert, bei der der frischen Verbrennungsluft Abgas zugeführt
wird. Diese wird zunächst unterschieden zwischen innermotorischer und außermotorischer
AGR. Beiden Varianten gemein ist die Absenkung der Verbrennungs-Spitzentemperatur. Die
erhöhte spezifische Wärmekapazität des Frischgemischs führt bei gleicher freigesetzter Wärmemenge zu einem geringeren Temperaturanstieg. Des Weiteren befindet sich weniger Sauerstoff im Verbrennungsraum, wodurch die Stickstoffmoleküle weniger Reaktionspartner vorfinden und somit die Bildung von Stickstoffoxiden vermindert wird. Ebenso läuft die Verbrennung langsamer ab, was ebenfalls zu einer Absenkung der Verbrennungstemperatur führt. /77/
Bei der innermotorischen AGR wird der Ladungswechsel im Zylinder dahin gehend beeinflusst, dass Abgas beim Befüllen des Zylinders durch gleichzeitig geöffnete Einlass- und Auslassventile wieder in den Brennraum zurückgelangt. Diese Methode bedarf entweder einer angepassten Nockenwelle oder eines voll flexiblen Ventiltriebs mit Einzelansteuerung der Ventile. Eine angepasste Nockenwelle ist deutlich kostengünstiger als ein flexibler Ventiltrieb, hat
jedoch auch den Nachteil, dass die Menge des zurückgeführten Abgases nur in Kombination
41
FEV
mit einer sehr aufwendigen Nockenwellenverstellung veränderbar ist. Der Nachteil der inneren
AGR besteht darin, dass das zurückgeführte Abgas nicht kühlbar ist.
Bei der externen AGR wird unterschieden zwischen Hochdruck- und Niederdruck-AGR. Bei
der Hochdruck-AGR, welche derzeit Stand der Technik ist, wird Abgas vor Turbolader entnommen, in einem Wärmeübertrager abgekühlt und der verdichteten Verbrennungsluft beigemischt. Die Möglichkeit zur Kühlung ist der große Vorteil der externen AGR gegenüber der
internen AGR, da die Verbrennungstemperatur hierdurch noch deutlich weiter abgesenkt werden kann. /2/
Bei der Niederdruck-AGR wird das Abgas nach Turbolader, Katalysator und DPF entnommen.
Die Rückführung in die Verbrennungsluft erfolgt dementsprechend vor Verdichter auf niedrigem Druckniveau. Vorteilhaft ist eine sehr gute AGR-Gleichverteilung durch die gute Durchmischung durch den Verdichter sowie die effiziente Kühlung durch den Ladeluftkühler, was
die Effektivität der AGR auf die NOx-Minderung verbessert. Bei gleichbleibenden NOxEmissionen lässt sich somit die AGR reduzieren. Durch die im Vergleich zur Hochdruck-AGR
erhöhten Massenströme über Verdichter und Turbine wird der Abgasturbolader bei besseren
Wirkungsgraden betrieben, sodass sich Ladungswechselverluste reduzieren und der Ladedruck
steigern lässt. Durch die Absenkung der AGR sowie die erhöhte Luftzufuhr erfolgt eine geringere Partikelbildung und eine verbesserte Partikelnachverbrennung. Somit kann die Niederdruck-AGR auch eine Maßnahme zur Partikelreduktion darstellen.
5.1.4 Aufladung
Die Aufladung ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors. Bei der
Aufladung wird durch eine Arbeitsmaschine die für den motorischen Verbrennungsprozess
benötigte Luft verdichtet, sodass pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse in den Zylinder gelangt. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die
Aufladung ist deshalb ein gängiges Mittel zum sogenannten Downsizing – der Verkleinerung
des Motors bei gleichbleibender Leistung. Die Hauptvorteile der Aufladung liegen in der erzielbaren Leistungssteigerung, der Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigen Leistungsmasse. Außerdem können sich bei spezieller Auslegung noch Vorteile im Wirkungsgrad
und bei den Abgasemissionen ergeben. Dem stehen als Nachteile komplexere Bauweise sowie
eventuell schlechteres Drehmoment- und Beschleunigungsverhalten gegenüber. Bei den verschiedenen Aufladeverfahren hat sich heutzutage besonders die Abgas-Turboaufladung durchgesetzt, bei der dem Abgasstrom Energie entzogen und diese zum Antrieb eines Verdichters
verwendet wird /2/.
42
FEV
Abbildung 5.4: Entwicklung Aufladeverfahren und Ladedrücke /79/
5.1.5 Brennverfahren
5.1.5.1 Drall
Je nach Lastpunkt, Brennverfahren und Einspritzsystem kann mehr oder weniger Drall günstig
für die Partikelemission sein. Deshalb ist die Gestaltung eines darauf abgestimmten Drallniveaus wichtig für eine gute Gemischbildung und emissionsarme Verbrennung. Unter Umständen kann ein variabler Drall einen weiteren Optimierungsschritt darstellen. Bei PkwDrallbrennverfahren kann in der niedrigen Teillast ein höheres Drallniveau (teilweises Schließen des Füllkanals eines Vierventil-Zylinderkopfes) zu einem besserem NOx-Partikel-TradeOff führen. Die NOx- und Partikelemissionen werden stark abgesenkt, Verbrauch sowie die
CO-Emissionen steigen mit zunehmender Kanalversperrung durch eine Verschlechterung des
Luftaufwands jedoch an /2/.
5.1.5.2 Verdichtungsverhältnis
Eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses hat aus thermodynamischer Sicht zwei positive
Auswirkungen: Einmal eine Verbesserung der Motorleistung, da an der Volllast der gleiche
Spitzendruck mit einem erhöhtem Ladedruck erreicht wird und somit bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis auch mehr Kraftstoff eingespritzt werden kann. Zum anderen wird in der
Teillast durch den geringeren Zylinderdruck bei konstantem Ladedruck die Zylindertemperatur
bei Kompression abgesenkt. Dies führt zu einem längeren Zündverzug und somit einer besseren Vormischung von Kraftstoff und Luft sowie zu einer geringeren Verbrennungsspitzentemperatur, was eine deutliche Verbesserung des NOx-Partikel-Trade-Offs zur Folge hat. Negativ
wirkt sich bei einer Absenkung des Verdichtungsverhältnisse die verminderte Kaltstartfähigkeit aus /2/.
5.2
Externe Maßnahmen zur Emissionsreduktion
Neben den zuvor beschriebenen innermotorischen Maßnahmen kommen zur Minderung der
Abgasemissionen zunehmend auch dem Dieselmotor nachgeschaltete Abgasnachbehandlungs-
43
FEV
technologien zum Einsatz /103/, /104/, /105/, /106/, /107/. So wurde im Jahr 1989 der DieselOxidationskatalysators (DOC) beim Pkw serienmäßig eingeführt /25/ und ab dem Jahr 2000
wurde nach der Serieneinführung durch die Firma PSA auch der Dieselpartikelfilter (DPF) in
einem zunehmenden Anteil der Pkw-Anwendungen eingesetzt. Nachbehandlungssysteme für
die Stickoxidreduzierung bei Dieselmotoren stellen sowohl der NOx-Speicherkatalysator
(NSK, erste Serieneinführung durch Toyota im Jahre 2004) sowie die Selektive Katalytische
Reduktion (SCR) dar (Abbildung 5.5). Diesel-Oxidationskatalysator und Dieselpartikelfilter
werden für die Erreichung der Euro-6-Grenzwerte beim Pkw-Dieselmotor zwingend erforderlich sein und damit flächendeckend in Europa eingeführt werden; ein weiter Bereich der Anwendungen wird darüber hinaus auch ein System zur Stickoxidnachbehandlung erfordern.
Beim Nutzfahrzeugmotor hat sich in Europa seit Einführung der Emissionsstufe Euro 4 im
Wesentlichen die SCR-Technologie durchgesetzt. Der wesentliche Grund hierfür ist die Tatsache, dass sich der Motor bei Einsatz eines SCR-Systems in Richtung niedrigerer Stickoxidemissionen und damit im Allgemeinen auch niedrigeren Kraftstoffverbrauchs abstimmen lässt.
Einige Hersteller haben bis zu Euro 5 aber auch alternative Konzepte mit Systemen zur Partikelminderung eingesetzt. Mit der Einführung von Euro 6 ist aber zu erwarten, dass alle Motoren einen Diesel-Oxidationskatalysator sowie einen Dieselpartikelfilter und auch ein SCRSystem zur Stickoxidreduzierung einsetzen werden.
Damit wird mit dem Dieselpartikelfilter sowohl beim Pkw als auch beim Nutzfahrzeug eine
effiziente Technologie zur Reduzierung der Partikelemissionen im gesamten Kennfeld und
Betriebsbereich des Motors bzw. Fahrzeugs flächendeckend in Europa zum Einsatz kommen.
Abbildung 5.5: Einführung von Diesel-Abgasnachbehandlungstechnologien
Die in der Abgasnachbehandlung eingesetzten Katalysatoren erfüllen heute vielfältige Aufgaben im Zusammenhang mit der unmittelbaren Schadstoffreduzierung sowie im Hinblick auf die
44
FEV
Funktionalität des komplexen Abgasnachbehandlungssystems (Abbildung 5.6). In diesem Zusammenhang sei exemplarisch auf den Diesel-Oxidationskatalysator hingewiesen, der zum
einen die Verringerung der CO- und HC-Emissionen zur Aufgabe hat und gleichzeitig auch
den SOF-Anteil der Partikelemission reduziert, darüber hinaus über die Exothermieerzeugung
für eine aktive DPF-Regeneration sowie die NO2-Bildung für eine passive DPF-Regeneration
sowie eine verbesserte Niedertemperaturaktivität eines nachgeschalteten SCR-Systems auch
wichtige Aufgaben für das Gesamtsystem übernimmt.
Die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme werden mit ihren wesentlichen Eigenschaften im Folgenden kurz beschrieben.
Diesel oxidation catalyst (DOC)




CO/HC conversion
Reduction of PM SOF content
NO2 production
Exothermic for DPF regeneration
Coated Diesel particulate filter
(CDPF)




PM filtration
CO/HC conversion (during regeneration)
NO2 production
Exothermic during DPF regeneration
SCR-catalyst
 NOx conversion by NH3
NH3 slip catalyst
 NH3 oxidation
NOx-storage catalyst





H2S slip catalyst
 H2S oxidation
EGR catalyst
 HC conversion in EGR line
NO2 production (with regard to NOx storage)
Oxygen storage capacity
NOx storage
Reductant (HC) reforming for regeneration
NOx reduction
Abbildung 5.6: Übersicht Diesel-Katalysatortechnologien
5.2.1 Dieseloxidationskatalysator (DOC)
Mithilfe von Oxidationskatalysatoren werden Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid bei
ausreichender Abgastemperatur nach den Reaktionsgleichungen 5.1 und 5.2 oxidiert.
2CO  O 2  2CO 2
(5.1)
m

2CnHm   2n  O 2  m  H2 O  2n  CO 2
2

(5.2)
Die Temperatur 50%igen Umsatzes wird dabei gebräuchlich als „Light-Off-Temperatur“ bezeichnet und liegt zwischen 150 und 350 °C, je nach Katalysatortyp, Emissionszusammensetzung und -bestandteilen und katalytisch wirksamer Beschichtung. Im Normalfall wird der COLight-Off bei geringeren Temperaturen als der der Kohlenwasserstoffe erreicht.
Abbildung 5.7 zeigt beispielhaft ein Emissionsprofil im NEFZ. Bis zur Anspringtemperatur
konvertiert der Oxidationskatalysator beim Beginn des Emissionstests mit kaltem Motor und
45
FEV
somit niedriger Abgastemperatur kaum HC- und CO-Emissionen. Nach einer Zeit von ca. 100
Sekunden ist ein Anspringen des Katalysators zu erkennen. Eine Oxidation der Rußpartikel ist
bei den im Dieselmotor auftretenden Temperaturen im DOC nicht möglich, jedoch nimmt die
Partikelemission aufgrund der Nachverbrennung der an den Rußpartikeln angelagerten Kohlenwasserstoffe ab.
0.08
500
0.06
400
g
0.05
0.04
16
0.03
350
0.02
300
0
CO vor Kat
0.01
ohne Oxi-Kat
14
12
mit Oxi-Kat
250
10
200 Temp. vor Kat
8
CO nach Kat 6
150
100
HC vor Kat
Geschwindigkeit
50
HC nach Kat
0
0
200
400
600
Zeit
800
4
kumulierte Emissionen
Partikel
450
Temperatur, °C
Geschwindigkeit, km/h
20
g/km
2
0
1000 s
Abbildung 5.7: Einfluss des Oxidationskatalysators auf die Emissionen /2/
Dieseloxidationskatalysatoren werden üblicherweise als metallische oder keramische Wabenträger gefertigt. Bei den keramischen Varianten hat sich dabei Cordierit als Material durchgesetzt, das häufig in einem quadratischen Zelldesign ausgeführt wird. Metallische Substrate
werden hingegen meist in einer sinusförmigen Struktur ausgeführt. Abbildung 5.8 zeigt die
üblichen Bauformen solcher Katalysatoren.
Metallträger
Keramikträger
Washcoat
Abbildung 5.8: Metallisches und keramisches Katalysatorträgermaterial
Gut sichtbar ist auch der auf dem Katalysatorträger aufgebrachte Washcoat. Er trägt die Edelmetalle Platin und Palladium, welche für die katalytische Oxidation der HC- und COEmissionen sorgen, und vergrößert zusätzlich die Oberfläche des Katalysators. Sowohl thermische als auch chemische Beanspruchungen (z. B. über den Schwefelgehalt im Kraftstoff
und/oder Motoröl) können die Funktion des Katalysators verringern, wodurch sich der Light-
46
FEV
Off zu höheren Temperaturen verschieben kann oder der vollständige Umsatz der Emissionen
verhindert werden kann.
Neben den bislang beschriebenen Aufgaben kommen dem DOC noch weitere entscheidende
Funktionen im Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlung der Partikelemissionen zu.
An den Ruß angelagerte Kohlenwasserstoffe (SOF) können bei ausreichender Temperatur oxidiert oder gecrackt werden, wodurch sich die Partikelmasse erheblich verringern kann. Darüber
hinaus bildet der DOC durch eine Oxidation von Stickstoffmonoxid NO2, welches zur passiven
Rußfilterregeneration durch den CRT®-Effekt genutzt werden kann. Auch kann der DOC als
katalytischer Brenner eingesetzt werden, mit dem eine aktive Rußfilterregeneration durchgeführt wird.
5.2.2 Partikelminderungssysteme
Abgasnachbehandlungssysteme zur Partikelminderung sind wie zuvor beschrieben vor mehr
als einem Jahrzehnt serienmäßig beim Dieselmotor eingeführt worden und werden zukünftig
sowohl beim Pkw als auch beim Nutzfahrzeug flächendeckend in Europa zum Einsatz kommen. Bei derartigen Systemen muss grundsätzlich zwischen zwei Vorgängen unterschieden
werden:
 der Abscheidung der Partikel an dem Filtermedium mit einem gewissen Filtrationswirkungsgrad; hier stehen unterschiedliche Filtermedien mit zum Teil signifikant unterschiedlichen Funktionsprinzipien und Filtrationswirkungsgraden zur Verfügung,
 dem Abbrand (Regeneration) der Rußpartikel, der aufgrund der begrenzten Speicherfähigkeit der Filter zwingend erforderlich ist; die Regeneration kann dabei in kontinuierliche und diskontinuierliche Konzepte unterschieden werden.
Im Folgenden soll ein Überblick über verschiedene Partikelminderungssysteme gegeben und
das grundlegende Funktionsprinzip des Partikelfilters beschrieben werden.
5.2.2.1 Übersicht Partikelminderungssysteme
Generell lassen sich Systeme zur Partikelminderung in „geschlossene“ (Wandstromfilter, engl.
Wall-Flow-Filter) und „offene“ oder auch Teilstromsysteme (Partikelkatalysatoren, z. B. /7/,
/8/, /9/) einteilen (Abbildung 5.9). Während bei den geschlossenen Systemen ein Durchtritt des
Abgases durch ein poröses Filtermedium erzwungen wird, erfolgt bei den offenen Systemen
nur eine Teilabscheidung der Partikel, während ein gewisser Teil des Abgases ungefiltert durch
den Filter strömen kann. Nachteil der geschlossenen Systeme ist ein vergleichsweise hoher
Abgasgegendruck mit entsprechenden negativen Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch.
Eine zunehmende Beladung des Filters führt dabei ohne geeignete Regenerationsmaßnahmen
zu einem exponenziellen Anstieg des Gegendrucks bis hin zur vollständigen Verblockung des
Filters. Wall-Flow-Filter erfordern daher im Allgemeinen aktive Regenerationsmaßnahmen
(siehe auch Kapitel 5.2.2.2), die – sofern keine externen Maßnahmen wie Brenner oder elektrische Beheizung eingesetzt werden – unabdingbar eine Interaktion mit der Motorsteuerung erfordern. Mit Wall-Flow-Filtern können im Allgemeinen Filtrationswirkungsgrade von deutlich
über 90 % erzielt werden. Diese Technologie wird aus heutiger Sicht flächendeckend für Pkw
und Nfz eingesetzt.
Auch mit Partikelkatalysatoren können Partikelabscheidegrade von deutlich über 50 % erreicht
werden /11/. Die Abscheidegrade liegen dabei aber deutlich unter denen von Wall-Flow-
47
FEV
Filtern; für neue Systeme werden in Kombination mit einer Abscheidung der Nanopartikel
durch elektrostatische Kräfte auch Abscheidegrade von über 90 % beschrieben /10/. Sie zeichnen sich jedoch durch erheblich geringere Abgasgegendrücke aus und können aufgrund ihres
Funktionsprinzips nicht verblocken. Dies ist dadurch bedingt, dass der Abscheidegrad derartiger Systeme mit zunehmender Beladung abnimmt. Partikelkatalysatoren werden im Allgemeinen ausschließlich durch passive Maßnahmen (siehe Kapitel 5.2.2.2) regeneriert, sodass keine
Interaktion mit der Motorsteuerung erforderlich ist. Aus diesem Grund werden Partikelkatalysatoren vielfach als Nachrüstsysteme eingesetzt.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip des Wall-Flow-Filters sowie des Partikelkatalysators
näher erläutert.
Geschlossene (Wallflow) Filter
Partikel-Katalysator
(„Offene“ Filter)
Quelle: EMITEC
 Durch wechselseitiges Verschließen der
Kanäle entstehen Einlass- und Auslasskanäle
 Unterschiedliche Filtermaterialien (z.B. SiC,
Cordierit, Mullite, Aluminiumtitanat)
 Das Abgas wird gezwungen, eine poröse
Wand zu passieren
 Abscheidung der Partikel zunächst durch
Tiefenfiltration, anschließend Oberflächenfiltration und Aufbau eines „Rußkuchens“
 Sehr hohe Filtrationswirkungsgrade für
Partikelmasse und Anzahl
 I.a. zusätzliche Maßnahmen / Betriebsmodus
zur aktiven Regeneration erforderlich
 Konzepte mit integriertem Bypass zur
Verhinderung einer Verblockung des Filters
 Unterschiedliche Konzepte verfügbar
 Wesentliche Technologie für den PkwNachrüstmarkt
 Filtration stark von der aktuellen Rußbeladung
abhängig
 Hohe Filtrationswirkungsgrade für
Partikelmasse und Anzahl
 I.a. passive Regeneration ohne zuätzliche
Maßnahmen / Betriebsmodus
Abbildung 5.9: Einteilung der Partikelfilter
5.2.2.2 Funktionsprinzip des Dieselpartikelfilters
Bekanntester Vertreter der geschlossenen Partikelfilter ist der in Abbildung 5.10 dargestellte
keramische Wabenfilter. Um die Rußschichtdicke und somit den Strömungswiderstand gering
zu halten, ist eine große Filteroberfläche erforderlich, die hier durch einen wabenförmigen
Aufbau des Filters mit im Schachbrettmuster wechselseitig verschlossenen Kanälen erreicht
wird. Auch Partikelfiltersubstrate mit asymmetrischer Bauweise, bei der die Einlasskanäle größer als die Auslasskanäle gestaltet sind, werden heute eingesetzt. Dies dient der Erhöhung der
Filterstandzeit durch Vergrößerung der Speicherkapazität der im Laufe des Filterlebens anfallenden Verbrennungsrückstände wie z. B. Aschen. Dabei kommen verschiedene Filtermaterialien wie z. B. Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumtitanat und Cordierit als Filtermaterial in der
Serie zum Einsatz (u.a. /12/, /13/, /14/, /15/, /16/, /17/, /18/, /19/, /20/).
48
FEV
Abbildung 5.10: Funktionsweise eines keramischen Wabenfilters /2/, /21/
Die erforderliche Filtergröße liegt im Allgemeinen zwischen etwa dem Ein- bis Zweifachen
des Motorhubvolumens. Der Filterwirkungsgrad ist abhängig von der Porengröße der Keramik
und von der Zusammensetzung der Partikel. Hochsiedende Kohlenwasserstoffe, die bei der
Filterungstemperatur noch gasförmig vorliegen und sich erst bei weiterer Abkühlung und Vermischung mit Umgebungsluft an den Partikeln anlagern, können nicht ausgefiltert werden. Für
den Kohlenstoffanteil der Partikel werden Wirkungsgrade von nahezu 100 % erreicht. Das poröse Filtermaterial wird von Abgas durchströmt, wobei die Partikel durch Diffusions-, Impaktions- (Trägheits-) und Interzeptionseffekte (Sperreffekte) zurückgehalten werden. Abbildung
5.11 zeigt die hierbei zugrunde liegenden Filtermechanismen.
Impaktion: Abscheidung größerer Partikel durch
deren Massenträgheit bei Strömungsumlenkung
Strömungsgeschwindigkeit
Abscheidekörper
(z.B. Keramikkorn)
Rußpartikel
Interzeption: Partikelabscheidung bei Stromlinien,
die in geringerem Abstand als dem Partikelradius am
Abscheidekörper vorbeiführen
Filtrationseffizienz / %
Stromlinie
Diffusion
Impaktion /
Interzeption
Diffusion: Diffusion der Partikel durch Brownsche
Molekülbewegung an die Oberfläche des
Abscheidekörpers
Partikeldurchmesser Dp / nm
Abbildung 5.11: Filtrationsmechanismen /3/
49
FEV
Es zeigt sich, dass bedingt durch Überlagerung der verschiedenen Abscheidemechanismen
sowohl große als auch kleine Partikel zuverlässig durch den Partikelfilter zurückgehalten werden können und somit eine hohe Filtrationseffizienz über das gesamte Größenspektrum erzielt
wird /3/. Hierbei ist zu bedenken, dass nahezu alle vom Motor emittierten Partikel kleiner sind
als die Poren des Filtersubstrats. Die Vorstellung, dass die Partikel aufgrund ihrer Größe im
Filter abgeschieden werden, ist somit grundlegend falsch. Der überwiegende Teil der Partikel
liegt vom Größenspektrum im Abscheidungsbereich der Diffusion. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit sinkender Partikelgröße abnimmt, werden kleinere Partikel sogar effektiver
abgeschieden.
Die im realen Betrieb erzielten hohen Filtrationswirkungsgrade von bis nahezu 100 % resultieren aus der Tatsache, dass mit steigender Rußbeladung ein Übergang von der Tiefenfiltration in
der Filterwand hin zur Oberflächenfiltration stattfindet. Das heißt, dass sowohl die in den Poren gespeicherte Rußschicht als auch der Rußkuchen auf der Filterwand selbst als Filtrationsmedium mit hoher Wirksamkeit agieren. Aufgrund der geringen Tiefenfilterkapazität der keramischen Wabenfilter wird der Bereich der Oberflächenfiltration bereits nach kurzen Beladungszeiten erreicht. Ein signifikanter Partikeldurchbruch kann aus diesem Grund bei einem
intakten Filter nur nach Abschluss eines vollständigen Regenerationsvorgangs in der Startphase
der Beladung detektiert werden.
Wie in Abbildung 5.12 links dargestellt, steigt die Filtrationseffizienz über dem gesamten Partikelgrößenspektrum nahezu in gleichem Maße über der Beladungszeit an. Das Minimum befindet sich dabei unabhängig vom Beladungszustand in der gleichen Partikelgrößenklasse. Der
Verlauf der Filtrationseffizienz kann mit dem Druckverlust des Partikelfilters korreliert werden
(Abbildung 5.12 rechts). Bei Erreichen der Filterwandkapazität, welche durch den Beginn eines rein linearen Druckverlustgradienten gekennzeichnet ist, erreicht die Gesamtfiltrationseffizienz ein Maximum. Die Abscheiderate bleibt mit weiter steigender Beladung konstant /22/.
Abbildung 5.12: Partikelfiltrationseffizienz in Abhängigkeit von der Beladung /21/, /23/
5.2.2.3 Regeneration des Dieselpartikelfilters
Aufgrund der begrenzten Rußspeicherfähigkeit von Partikelfiltern muss der Ruß in regelmäßigen Abständen entfernt werden, um Überladungen und thermische Schädigungen des Materials
50
FEV
zu unterbinden. Typische Intervalllängen, nach welchen eine Regeneration erfolgen muss, liegen abhängig von Fahrprofil und maximaler Rußspeicherfähigkeit im Bereich von 500 bis
1000 km /22/. Die Regeneration eines Dieselpartikelfilters kann sowohl kontinuierlich (passiv,
i. A. über NO2) als auch intermittierend (thermisch über O2) erfolgen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die für eine sichere Regeneration eines Dieselpartikelfilters erforderlichen
Temperaturen im normalen Betrieb eines Fahrzeugs in den meisten Anwendungen nicht erreicht werden. So sind für eine schnelle und vollständige thermische Regeneration Temperaturen von über 600 °C erforderlich; für eine ausreichende passive Regeneration sind Temperaturen von über 300 °C im Filter erforderlich. Daher ist im Allgemeinen eine zusätzliche Temperaturanhebung für die sichere Filterregeneration erforderlich. Eine Übersicht von Maßnahmen
zur Partikelfilterregeneration zeigt Abbildung 5.13. Für eine aktive Regeneration werden heute
in der Serie oder in der Vorserienentwicklung folgende Maßnahmen eingesetzt:
 motorinterne Maßnahmen zur Temperaturerhöhung:
o Drosselung der Ansaugluft,
o Anpassung der AGR-Rate,
o Veränderung des Einspritzmanagements von Vor- und Haupteinspritzung,
o Einführung einer frühen Nacheinspritzung mit dem Ziel, die Abgastemperatur
im Brennraum zu erhöhen,
o Einführung einer späten Nacheinspritzung mit dem Ziel, die Abgastemperatur
über exotherme Reaktionen auf einem nachfolgenden Oxidationskatalysator zu
erhöhen (siehe auch Kapitel 5.2.1),
 Einsatz eines Kraftstoffdosiersystems im Abgas, mit dem zusätzlicher Kraftstoff in
das Abgas eingebracht wird und über exotherme Reaktionen auf einem nachfolgenden
Oxidationskatalysator eine Temperaturerhöhung erzeugt (siehe auch Kapitel 5.2.1),
 Brennersysteme zur Erhöhung der Abgastemperatur,
 Systeme zur Abgastemperaturerhöhung über elektrische Heizung.
Engine mapping comparison (Difference = VSR458 - VSR429) / Software platform: US10
VSR458 with indicated cylinder head and nominal injectors:
Dataset: 3478E08D01_B7_BASE_EEV_E5_DPF_E_LV1V2 (Heat mode dataset for Level1)
VSR429 with original cylinder head and injectors:
Dataset: 3478E08D01_B7_BASE_EEV_E5_DPF_E (Referencedataset)
Passive DPF regeneration
1400
28.03.2006
Exhaust temperature
downstream DOC [°C]
1300
-12
-7
-9
-4
3
3
-5
-7
-2
15
14
0
-1
-6
8
31
16
17
9
9
5
20
61
43
59
69
25
57
54
55
60
54
67
400
100
800
550
65
600
300
600
99
78
63
65
132
93
105
84
109
89
123
109
86
39
97
116
10
83
125
10
80
77
72
78
78
90
95
85
93
43
88
104
7
106
119
-0
89
71
9
80
98
92
56
108
128
40
400
300
20
0
100
650
1000
1200
1400
1600
1800
2000
625
250
600
200
600
550
150
500
650
100
800
650
625
60
500
0
600
675
350
80
700
200
Engine: DW12LR
Calibration: E42A
Temperature upstream DPF [°C] (EDC)
120
-8
1
31
900
Torque [Nm]
tc_IndTrqValue [Nm]
1000
Electrical heating
assistance
Engine internal measures
140
1100
28
Regeneration Level 2 (25°C)
160
1200
650
450
2200
50
Engine speed [rpm]
650
400
page 3 TNK1
0
350
PFlttPre
-50
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Engine Speed [rpm]
Level2_060324.ipw / / 28.03.2006
Exhaust Fuel Injector
Burner technology
Fuel vaporizer systems
Abbildung 5.13: Maßnahmen zur Partikelfilterregeneration
4500
51
FEV
Aktive Regenerationsmaßnahmen wirken sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch aus und
insbesondere motorinterne späte Nacheinspritzungen führen darüber hinaus zu einer erhöhten
Schmierölverdünnung. Darum werden vielfach zusätzliche Maßnahmen eingesetzt, um entweder die Regenerationstemperatur auf Niveaus deutlich unter 600 °C herabzusetzen oder die
Regenerationshäufigkeit zu verkürzen. Hierzu zählen insbesondere /24/, /25/:
 Zugabe von Kraftstoffadditiven zur Absenkung der Rußzündtemperatur,
 Beschichtung des Filters mit katalytischen Komponenten zur Unterstützung des Rußabbrands,
 Forcierung der passiven Regeneration über NO2, soweit möglich.
Die Regeneration von Dieselruß mittels NO2 wird auch als passive Regeneration oder CRT®Effekt (CRT = Continuously Regenerating Trap) bezeichnet. Die Regeneration verläuft im Gegensatz zum aktiven, thermischen Abbrand mittels Sauerstoff kontinuierlich während des Akkumulationsbetriebs, sofern ausreichend hohe Temperaturen und NO2-Mengen im Abgas vorliegen. Aufgrund der niedrigen Aktivierungsenergie läuft die Oxidation von Dieselruß mit NO2
bei deutlich niedrigeren Temperaturen ab als die Oxidation mit O2. Bereits bei Abgastemperaturen ab ca. 250 °C kann die kontinuierliche Regeneration genutzt werden; für hohe Regenerationseffizienzen sind jedoch deutlich höhere Temperaturen im Bereich um 350 °C erforderlich.
Damit ist diese Regenerationsart im Niedriglastbetrieb nur eingeschränkt nutzbar, bietet jedoch
bei hochlastigen Zyklen die Möglichkeit, die Länge der Regenerationsintervalle für die aktive
Regeneration deutlich auszudehnen. Grundvoraussetzung für die Nutzung des CRT®-Effekts
ist die Generierung von NO2 in einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator und/oder auf einer katalytischen Beschichtung im Filter selbst. Des Weiteren müssen ein ausreichend hohes
NO2/Ruß-Massenverhältnis im Abgas sowie eine Mindestrußmenge im DPF vorliegen, um
signifikante Regenerationseffizienzen erreichen zu können /22/.
5.2.3 DeNOx-Systeme
5.2.3.1 Selektive katalytische Reduktion (SCR)
Eine effiziente Methode zur Reduktion von Stickstoffoxiden (NOx) ist die selektive, d. h. bei
Sauerstoff-Überschuss vorrangig ablaufende Reaktion mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser. Diese wird seit Jahren zuverlässig zur Rauchgasentstickung in Kraftwerken eingesetzt.
Unter den dort herrschenden stationären Bedingungen werden in einem Temperaturbereich
zwischen 300 und 500 °C NOx-Konversionsraten von über 90 % erreicht. Optimierungen im
Katalysatordesign haben zu einer Erweiterung des Temperaturbereichs bis 200 °C geführt, sodass diese Technologie seit mehreren Jahren auch bei Pkw und Nutzfahrzeug eingesetzt wird
/32/, /33/, /34/, /35/ und im Bereich Nutzfahrzeuge wohl auch zum Standard für die Emissionsgesetzgebung Euro 6 werden wird. Nutzfahrzeugmotoren erreichen im gesetzlichen Testzyklus
heute Konvertierungraten bis in die Größenordnung von 90 %, bei Pkw-Motoren liegen die
erreichbaren Wirkungsgrade aufgrund des geringeren Temperaturniveaus im Allgemeinen darunter.
Der direkte Einsatz gasförmigen Ammoniaks im Fahrzeug ist aus Sicherheitsgründen sehr bedenklich. Daher arbeiten die in der Literatur bekannten Verfahren mit Verbindungen, in denen
Ammoniak chemisch gebunden vorliegt, wie z. B. die toxisch unbedenkliche Harnstoff/Wasser-Lösung (HWL, Handelsname: AdBlue), die nach Eindüsung durch katalytische
Hydrolyse Ammoniak im Abgasrohr freigibt. Die eigentliche Reduktion der Stickoxide verläuft dann im SCR-Katalysator durch direkte Reaktion mit Ammoniak. Die Reaktivität eines
52
FEV
NH3-SCR-Katalysators kann durch das Vorschalten eines Oxidationskatalysators erhöht werden. Durch Oxidation von NO zu NO2 erreicht man ein günstigeres NO/NO2-Verhältnis, was
die Kinetik der katalytischen Reduktion durch intermediäre Bildung von N2O3 deutlich erhöht
/31/. Besonders im Niedertemperaturbereich < 250 °C lassen sich dadurch höhere NOxKonversionsraten erzielen.
SCR-Systeme bestehen aus den wesentlichen Komponenten Dosiersystem, Reduktionsmittelbevorratung und SCR-Katalysator. Je nach verwendetem Reduktionsmittel können
zusätzlich Mischvorrichtungen für eine möglichst homogene Verteilung des Ammoniaks auf
dem SCR-Katalysator eingesetzt werden. Zudem können Hydrolysekatalysatoren zur Unterstützung der Umwandlung von Harnstoff zu Ammoniak verwendet werden. Das Funktionsprinzip der SCR-Technologie ist am Beispiel eines Systems auf Basis einer Harnstoff/WasserLösung in Abbildung 5.14 schematisch dargestellt.
N2
CO2
NOx conversion
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
H 2O
Secondary emissions N2O, NH3, ...
Sufficient temperature
NO2 formation
Optimized catalyst
HC CO
NOx
Soot
NH3 formation
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2
Secondary emissions
Mixing
Optimized mixing
Abbildung 5.14: Funktionsprinzip SCR-Technologie
5.2.3.2 NOx-Speicher-Katalysator (NSK)
NOx-Speicherkatalysatoren werden seit Jahren für Magerottomotoren in Serie eingesetzt und
seit einiger Zeit auch für Pkw-Dieselmotoren in Serie /29/, /35/, /36/, /37/, /38/ /39/. Das Funktionsprinzip beruht auf der Adsorption saurer Abgaskomponenten, z. B. Stickoxide, an alkalischen Speicherelementen (z. B. BaO). Der Speicherung der Stickoxide geht im mageren Abgas
eine Oxidation des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO2 an Edelmetall (z. B. Platin)
voraus. Das gebildete NO2 wird anschließend als Nitrat an der Katalysatoroberfläche gespeichert (Chemisorption). Die Desorption und Zersetzung der Nitrate erfolgt in kurzen Phasen mit
unterstöchiometrischem (fettem) Verbrennungsluftverhältnis und damit reduzierender Atmosphäre im Abgas. Sauerstoffmangel und gleichzeitige Anwesenheit von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff ermöglichen die Reduktion der desorbierten Stickoxide unter der Bildung von Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser.
53
FEV
Die Regeneration der Stickoxide erfolgt im unterstöchiometrischen Betrieb mit reduzierender
Abgasatmosphäre. Diese lässt sich im normalerweise überstöchiometrisch betriebenen Dieselmotor durch eine Kombination verschiedener Maßnahmen erreichen, wie z. B.:
 Reduktion der Luftmasse durch
o Verringerung des Ladedrucks,
o Erhöhung der AGR-Rate,
o Ansaugluftdrosselung,
 Erhöhung der Einspritzmenge bei konstanter Motorleistung durch
o Anpassung der Menge und des Beginns von Voreinspritzung und Haupteinspritzung,
o Anpassung des Raildrucks,
o Einführung einer zusätzlichen Nacheinspritzung.
Das Funktionsprinzip der NSK-Technologie mit den Teilschritten „Speicherung“ und „Regeneration“ ist in
Abbildung 5.15 schematisch dargestellt.
NOx storage
NO, O2
NO2
NO2
Pt
Ce2O3 BaCO3
Pt
CO2
CO2
N2
Ce2O3 Ba(NO3)2
H 2O
HC CO
NOx
LNT#2
Soot
CDPF
LNT#1
NO2, CO, H2
HC
CO, H2
Pt
CO2
N2, CO2
NO2
O2
Ce2O3 BaCO3
Pt
Ce2O3 Ba(NO3)2
NOx regeneration
Abbildung 5.15: Funktionsprinzip NOx-Speicher-Katalysator (NSK)
54
FEV
5.3 Dieselkraftstoff – Art und Qualität
Die Qualitätsanforderungen an Dieselkraftstoffe für den Kraftfahrzeugsektor haben sich – mit
Ausnahme der drastischen Reduzierung des Schwefelgehalts im Kraftstoff – in der Vergangenheit kaum geändert. Einzige Vorraussetzung war die Einhaltung von Richtwerten für die Kraftstoffzusammensetzung. Der wachsende Anteil an dieselbetriebenen Fahrzeugen bei gleichzeitig strenger werdenden Emissionsrichtlinien und strenge Gesetzgebung bezüglich Emissionen
setzen hohe Ansprüche an die Kraftstoffqualität.
Bisher lag das Augenmerk bei Partikelemissionen lediglich auf der ausgestoßenen Menge,
doch neue Gesetzgebungen wecken zunehmend das Interesse an weiteren Bewertungskriterien
wie z. B. Größenverteilung, Anzahl und Oberfläche. Unterschiedliche Kraftstoffe führen zu
Rußemissionen mit einem unterschiedlichen Graphitisierungsgrad, was Auswirkungen auf
morphologische Eigenschaften sowie die Abgasnachbehandlung hat. Die Ziele zur Verminderung der Partikelemissionen setzen ein fundiertes Fachwissen über den Einfluss der Kraftstoffqualität und Kraftstoffart auf den Partikelausstoß und dessen Zusammensetzung voraus. Somit
sind nicht nur technische Verbesserungen auf Fahrzeug- und Motorseite, sondern auch bei den
Kraftstoffen notwendig.
5.3.1 Übersicht typischer Dieselkraftstoffe
Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht unterschiedlicher Dieselkraftstoffe mit Eigenschaften hinsichtlich Partikelemissionen.
Diesel Kraftstofftyp
Erdölbasierter
Dieselkraftstoff
Biokraftstoff
1. Generation
Biokraftstoff
2. Generation
Typische Verfahren
Typische Eigenschaften
 Erdöl-Destillation
 Gemisch von ca.200 Kohlenwasserstoffen (Alkane,
Olefine, Cycloalkane,
Aromate)




Schwefelgehalt
Aromatengehalt
Siedekurve
Niedriges H/C-Verhältnis
 Umesterung von Pflanzlichen Ölen
 FAME(Fatty Acid Methyl
Ester)
 Fischer-Tropsch Process
-Biomass to liquid (BtL)
-Gas to liquid (GtL)
 Hydriertes Pflanzenöl
(HVO)





Kein Schwefelgehalt
Kein Aromaten
~10% Sauerstoffgehalt
Hoher Siedepunkt
Kein oder sehr geringer
Schwefel und Aromatengehalt
Kein Sauerstoffgehalt
Hohes H/C Verhältnis
Hohe Cetan-Zahl
Geringe spez. Dichte




Einfluss auf die Rußbildung
 Mit dem Schwefelgehalt
steigt die Rußbildung
 Rußbildung steigt in dieser
Folge:
Alkane  Cycloalkane 
Olefine  Aromate
 O2 Gehalt verursacht geringere Rußbildung
 Erhöhter SOF Anteil im
Partikel
 Geringere Partikelbildung
wegen geringem Schwefel
und Aromatengehalt und
hohem H/C Verhältnis
Abbildung 5.16: Übersicht typischer Dieselkraftstoffe
Die Trends der Entwicklung und Aspekte der Qualität mineralölbasierter Dieselkraftstoffe bezüglich Partikelemission wurden bereits in Kapitel 1.3 vorgestellt. In den folgenden Abschnit-
55
FEV
ten wird näher auf die Qualität von Biokraftstoffen der zweiten Generation hinsichtlich ihres
Verhaltens in Bezug auf Partikelemissionen eingegangen.
5.3.2 Gas to Liquid (GtL)
Das in den 1920ern von Franz Fischer und Hans Tropsch entdeckte Verfahren, mit dem Kohlenwasserstoffe aus Synthesegas hergestellt werden können, wird unter anderem zur Produktion von dieselähnlichen Kraftstoffen verwendet. Folgende Schritte sind hierzu notwendig:



Bildung/Herstellung des Synthesegases,
Fischer-Tropsch-Katalyse,
Post-processing.
Synthesegas kann aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Kohle oder Biomasse
hergestellt werden. Die durch die anschließende Synthese hergestellten GtL-Kraftstoffe setzen
sich aus n- und iso-Paraffinen zusammen und weisen einen sehr geringen oder nicht vorhandenem Aromaten- und Schwefelgehalt auf. Die paraffinen Kraftstoffe besitzen eine geringe Dichte sowie ein hohes H/C-Verhältnis. Die Cetanzahl, welche die Zündwilligkeit des Kraftstoffes
beschreibt, ist bei GtL-Kraftstoffen höher als bei mineralölbasierten Dieselkraftstoffen. Untersuchungen an modernen, schnell laufenden DI-PKW-Dieselmotoren weisen bei Betrieb mit
reinem GtL-Kraftstoff Vorteile im Hinblick auf die Partikelemission auf, wie in nachstehender
Abbildung deutlich wird.
Abbildung 5.17: Einfluss von verschiedenen GtL-Kraftstoffen auf Partikel-Emissionen und
Partikel-Zusammensetzung an einem 2,0L-Common-Rail-Direkteinspritzer /85/
56
FEV
5.3.3 Hydriertes Pflanzenöl (HVO)
Das Hydrieren von pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten stellt einen Alternativprozess zur
in der Biodieselproduktion üblichen Veresterung dar. Chemisch hydrierte Pflanzenöle sind
Mischungen aus paraffinischen Kohlenwasserstoffen und enthalten weder Schwefel noch
Aromaten. HVO besitzt eine sehr hohe Cetanzahl und die übrigen Eigenschaften des Kraftstoffs ähneln ebenfalls denen von Gas-to-Liquid-Kraftstoffen (GtL) oder Biomass-to-LiquidKraftstoffen (BtL).
HVO
Density at 15 °C (kg/m3)
Viscosity at 40 °C (mm 2/s)
Cetane number
Distillation range (°C)
Cloud point (°C)
Heating value, lower
(MJ/kg)
Heating value, lower (MJ/l)
Total aromatics (wt-%)
Polyaromatics (wt-%)(1)
Oxygen content (wt-%)
Sulfur content (mg/kg)
Lubricity HFRR at 60 °C
(µm)
Storage stability
EN 590
GtL
FAME
(RME)
775 ... 785
2.5 ... 3.5
≈ 80 ... 99
≈ 180 ... 320
−5 ... −25
≈ 835
≈ 3.5
≈ 53
≈ 180 ... 360
≈ −5
770 ... 785
3.2 ... 4.5
≈ 73 ... 81
≈ 190 ... 330
−0 ... −25
≈ 885
≈ 4.5
≈ 51
≈ 350 ... 370
≈ −5
≈ 44.0
≈ 42.7
≈ 43.0
≈ 37.5
≈ 34.4
0
0
0
< 10
< 460(2)
≈ 35.7
≈ 30
≈4
0
< 10
< 460(2)
≈ 34.0
0
0
0
< 10
< 460(2)
≈ 33.2
0
0
≈ 11
< 10
Good
Good
Good
Very challenging
< 460
Abbildung 5.18: Typische Eigenschaften von HVO, European EN 590:2004 Dieselkraftstoff,
GtL und FAME /86/
Messergebnisse der Kraftstoffe mit einem Common-Rail-Heavy-Duty-Motor sind im Folgenden dargestellt. Auf konstantem Stickoxidemissionsniveau ermöglicht der Einsatz von reinem
HVO (100%iges HVO) sowie EN590-30 (Diesel mit 30 Vol% HVO) eine Reduktion der Rußemissionen sowie des Kraftstoffverbrauchs. Die Verringerung des Emissionsniveaus kann
hierbei auf den reduzierten Aromaten- und Schwefelgehalt zurückgeführt werden.
57
FEV
Abbildung 5.19: Vergleich der Partikelemission (Schwarzrauch) von reinem HVO sowie
Diesel mit 30 % HVO-Zumischung gegenüber den Emissionen handelsüblichen
Diesels bei konstanten NOx-Emissionen /86/.
5.3.4 Zusammenfassung
Alternative aromatenfreie Kraftstoffe wie HVO oder GtL zeigen ein deutliches Potenzial zur
Reduzierung der relevanten Abgasemissionen. Das gesetzliche Mindestmaß für die Beimischung von Alternativkraftstoffen sieht derzeit allerdings nur geringe Beimischraten von 3 %
bis maximal 10 % vor. In diesem Bereichen ergibt sich nur ein geringer Einfluss der angehobenen Cetan-Zahl auf den Zündverzug und somit das Brennverhalten /87/.
58
FEV
6
In diesem Kapitel erfolgt eine Darstellung der Emissionsverbesserungen durch die zuvor in
Kapitel 5 beschriebene Einführung/Weiterentwicklung von Technologien mit Schwerpunkt auf
den Partikel-Emissionen. Die signifikante Reduzierung der Partikelmassenemission durch die
Einführung immer weiter verschärfter Emissionsstufen und insbesondere auch die Einführung
des Partikelfilters wurde schon in Kapitel 3.1 (siehe u. a. Abbildung 3.3 sowie Abbildung 3.8)
aufgezeigt. Daher sollen hier insbesondere auch über die reinen Emissionswerte hinaus weitere
Veränderungen wie z. B. Partikelgrößenspektrum, Morphologie und Zusammensetzung betrachtet werden. Hinsichtlich der Partikelgrößenverteilung wurden dabei nur Literaturquellen
berücksichtigt, bei denen eine Messung von Artefakten durch eine entsprechend angepasste
Messtechnik ausgeschlossen werden konnte.
Die Betrachtung ist dabei in folgende Abschnitte unterteilt:
 Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen  Kapitel 6.1,
 Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion  Kapitel 6.2,
 Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art  Kapitel 6.3,
 Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem  Kapitel 6.4.
6.1
Auswirkungen innermotorischer Maßnahmen
Im Folgenden sind repräsentative Ergebnisse hinsichtlich der Auswirkungen innermotorischer
Maßnahmen auf die Partikelemissionen (Partikelgrößenspektrum, Morphologie und Zusammensetzung) dargestellt.
Abbildung 6.1 zeigt den Einfluss bei der Variation des Einspritzdrucks sowie des Einspritzzeitpunkts auf die Partikelgrößenverteilung. Die Untersuchungen wurden an einem Nutzfahrzeug-Dieselmotor in dem Betriebspunkt 1250 min-1 und einem effektiven Mitteldruck von 14.9
bar durchgeführt. Es zeigt sich eine deutliche Verringerung der Partikelanzahlemissionen über
das gesamte Größenspektrum sowohl durch Erhöhung des Einspritzdrucks als auch durch eine
Verstellung der Einspritzung nach „früh“, wobei sich tendenziell für beide Maßnahmen eine
leichte Verschiebung des Maximums der Größenverteilung zu kleineren Partikeln ergibt. Insgesamt kann jedoch festgehalten werden, dass beide Maßnahmen – die generell zu einer Absenkung der Partikelmassenemission führen – auch eine Absenkung der Partikelanzahlemission
über das gesamte Größenspektrum zur Folge haben.
59
FEV
3.0·107
Einspritzdruck 800 bar
Einspritzdruck 1400 bar
dN/dlog dp / cm-3
2.5·107
Betriebspunkt:
n = 1250 min-1
2.0·107
Erhöhung Einspritzdruck
1.5·107
pme = 14.9 bar
1.0·107
6·106
0.0·100
10
100
Partikelgrößenklasse / nm
dN/dlog dp / cm-3
5.0·106
Spritzbeginn 3° KW nach OT
Spritzbeginn 4° KW vor OT
5·106
1000
4·106
Verstellung nach „früh“
3·106
2·106
1·106
0·100
10
100
Partikelgrößenklasse / nm
1000
Abbildung 6.1: Einfluss der Einspritzung auf die Partikelgrößenverteilung am Nfz-Motor /50/
In Abbildung 6.2 bis Abbildung 6.5 ist der Einfluss von Abgasrückführung und Einspritzdruck
auf die Partikel- und NOx-Emissionen an einem Nutzfahrzeug-Dieselmotor dargestellt mit dem
Ziel, die NOx-Emissionen innermotorisch bei unveränderten oder sogar verringerten Partikelemissionen abzusenken. In einem ersten Schritt (Abbildung 6.2) wurde hierbei der Einspritzdruck zunächst von einem Basisniveau von 400 bar auf einen Druck von 1200 bar jeweils ohne
Abgasrückführung angehoben. Dies hat eine Erhöhung der NOx-Emissionen von 8,0 g/kWh
auf 12,8 g/kWh zur Folge, wobei bedingt durch die verbesserte Gemischaufbereitung die Partikelmassenemission (hier nicht dargstellt) und damit auch die Partikelanzahl über das gesamte
Größenspektrum (mit leichter Verschiebung des Maximums zu kleineren Durchmessern; analog zu Abbildung 6.1) deutlich vermindert werden. Die Einführung von Abgasrückführung
(hier eine AGR-Rate von 22 %) hat eine signifikante Abnahme der Stickoxidemissionen bei
allerdings deutlich erhöhter Partikelanzahlemission (und auch Partikelmasse) zur Folge
(Abbildung 6.3). Durch weitere Erhöhung des Einspritzdrucks von 1200 bar auf 1600 bar mit
konstanter Abgasrückführrate von 22 % ist wieder eine signifikante Reduzierung der Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum (mit leichter Verschiebung des Maximums zu kleineren Durchmessern) bei nur moderat erhöhter Stickoxidemission möglich (Abbildung 6.4).
Als Kombination der zuvor beschriebenen Maßnahmen kann damit durch die Einführung einer
Abgasrückführung bei gleichzeitiger Erhöhung des Einspritzdrucks eine gleichzeitige deutliche
Absenkung der NOx- sowie der Partikelanzahlemissionen erreicht werden (Abbildung 6.5)
60
140
Partikelanzahl normiert / %
120
FEV
400 bar, ohne AGR, 8.0 g/kWh NOX
1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kWh NOX
1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kWh NOX
100
80
60
40
20
0
10
100
Partikeldurchmesser / nm
1000
Abbildung 6.2: Einfluss von Einspritzdruck und AGR auf die Partikelgrößenverteilung /51/
140
120
1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kWh NOX
1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kWh NOX
100
80
60
40
20
0
10
100
1000
61
140
120
FEV
1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kWh NOX
1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kWh NOX
100
80
60
40
20
0
10
100
1000
140
120
1200 bar, 22 % AGR, 2.7 g/kWh NOX
1600 bar, 22 % AGR, 3.6 g/kWh NOX
100
47 % geringere Partikelanzahl
55 % geringere NOx-Emission
von
nach
.
80
60
40
20
0
10
100
1000
In Abbildung 6.6 ist der Einfluss des Einspritzdrucks auf die Partikelgrößenverteilung anhand
dreier Entwicklungsstufen (Übergang von Wirbelkammermotor auf Direkteinspritzer; drei Generationen von Einspritzsystemen) von BMW-Pkw-Dieselmotoren dargestellt. Es wird hierbei
ein Wirbelkammer-Brennverfahren mit einer Niederdruckeinspritzung mit einem direkteinspritzenden Motor mit Hochdruck-Verteilereinspritzpumpe sowie einem direkteinspritzenden
Motor mit Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystem verglichen. Es zeigt sich für die beiden
62
FEV
untersuchten Konstantfahrtpunkte 50 km/h und 120 km/h jeweils eine deutliche Verringerung
der Partikelanzahlemissionen mehr oder weniger über das gesamte Größenspektrum. Analog
zu den vorherigen Beispielen ist für den 120-km/h-Punkt auch hier eine tendenzielle Verschiebung in Richtung etwas kleinerer Partikel zu erkennen, wohingegen der Trend für den 50km/h-Punkt genau gegensätzlich ausfällt. Es ist hierbei allerdings zu beachten, dass im Gegensatz zu den beiden vorherigen Beispielen hier der reine Einfluss des Einspritzdrucks durch eine
signifikante Änderung des Brennverfahrens sowie auch eine signifikant unterschiedliche Einspritzcharakteristik der drei Einspritzsysteme überlagert ist.
Zusammenfassend ist aus den drei dargestellten Beispielen (Abbildung 6.1 bis Abbildung 6.6)
kein Trend in Richtung vermehrter Emission kleinerer Partikel für moderne Brennverfahren
mit hohem Einspritzdruck – auch in Kombination mit weiteren Maßnahmen wie der Einführung von Abgasrückführung und/oder Veränderung des Brennverfahrens – erkennbar.
525tds: 2,5 l Wirbelkammer-Motor mit Niederdruckeinspritzung
320d: 2,0 l Direkt-Einspritzmotor mit Hochdruck-Verteilereinspritzpumpe
530d: 3,0 l Direkt-Einspritzmotor mit Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystem
Abbildung 6.6: Einfluss von Einspritzsystem/-druck auf die Partikelgrößenverteilung /52/
Abbildung 6.7 zeigt in Ergänzung zu den Partikelgrößenverteilungen für die genannten Konzepte Aufnahmen der Partikelstruktur. Es bestätigen sich hier die Aussagen aus der Betrachtung der Partikelgrößenverteilungen, dass für die unterschiedlichen Motorkonzepte und insbesondere auch Einspritzdrücke keine signifikanten Veränderungen bezüglich der grundlegenden
Struktur und Form der Rußpartikel sowie ihrer Primärpartikeldurchmesser erkennbar sind.
63
FEV
Abbildung 6.7: Einfluss von Einspritzsystem und -druck auf die Partikelstruktur /52/
Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Motorparametern und hier insbesondere auch des
Einspritzdrucks auf die Partikelemission sind in /119/ dargestellt. Auch hier wird eine tendenzielle Verschiebung des Maximums der Partikelgrößenverteilung hin zu kleineren Durchmessern für einen erhöhten Einspritzdruck – bei allerdings deutlich verminderter Gesamtpartikelanzahl und keiner Erhöhung der Emission kleiner Partikel - beschrieben. Es wird auch darauf
eingegangen, dass die Partikelemission eines Dieselmotors wie zuvor beschrieben nicht isoliert
betrachtet werden darf, da der Partikelmassenausstoß sich meist gegenläufig zur Stickoxidemission als Funktion der meisten luft- und kraftstoffseitigen Parameter verhält.
Abbildung 6.8: Zusammenhang zwischen Gesamtpartikelanzahl und Stickoxidemission für 24
Motorbetriebspunkte /119/
Abbildung 6.8 zeigt, dass dieser Zusammenhang nicht nur für die Partikelmasse, sondern auch
für die Partikelanzahl gilt. Dargestellt ist die Gesamtpartikelzahl – integriert über die mit einem
Kondensationspartikelzähler (SMPS) gemessene Verteilung von 15 nm bis 630 nm – gegen die
NOx-Emission für 24 untersuchte Betriebsbedingungen eines Pkw-Dieselmotors mit Common-
64
FEV
Rail Einspritzung /119/. Man erkennt deutlich die hyperbelartige Abhängigkeit der Partikelanzahl von der NOx-Emission, wobei sich kein signifikanter Einfluss des Einspritzdruckes auf die
Partikelanzahlemission zeigt. Die beiden besonders gekennzeichneten Punkte werden dabei in
/119/ über eine Neubildung von Partikel aus Kondensaten erklärt.
In /53/ wurden Untersuchungen hinsichtlich der Möglichkeit zur Beeinflussung der Rußreaktivität durch Variation motorischer Parameter mit dem Ziel durchgeführt, hierdurch verbesserte
Rußeigenschaften für die Partikelfilterregeneration darzustellen. Es konnte gezeigt werden,
dass sich durch die Variation innermotorischer Parameter Rußreaktivitäten – hier bestimmt
durch Abbrandversuche in der thermogravimetrischen Analyse (TGA) – in einem weiten
Streubereich variieren lassen (Abbildung 6.9). Die Grenzkurven stellen dabei Gfg-Ruß (der
aufgrund seiner amorphen Struktur hoch reaktiv ist) sowie Graphitpulver (welches aufgrund
hoher struktureller Ordnung eine niedrige Reaktivität aufweist) dar.
Pkw-Dieselmotor,
Basis: EU4 Abstimmung
Abbildung 6.9: Rußreaktivität in der TGA bei Variation motorischer Parameter /53/
6.2
Auswirkungen externer Maßnahmen zur Emissionsreduktion
Im Hinblick auf Auswirkungen von Maßnahmen zur Emissionsverbesserung auf die Partikelemissionen kommt der Abgasnachbehandlung eine entscheidende Bedeutung zu, da insbesondere der Diesel-Oxidationskatalysator und der Partikelfilter einen direkten und signifikanten
Einfluss auf die Partikelemissionen haben. Beim SCR-Verfahren stellt sich die Frage, inwieweit durch die Einbringung des Reduktionsmittels die Partikelemissionen beeinflusst werden,
während sich beim NOx-Speicherkatalysator insbesondere die Frage stellt, wie sich der unterstöchiometrische Regenerationsbetrieb auf die Partikelemission auswirkt.
6.2.1 Diesel-Oxidationskatalysator (DOC)
Wie in Kapitel 5.2.1 beschrieben übernimmt der Oxidationskatalysator neben der Oxidation
von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas auch die Aufgabe, an
den Ruß angelagerte Kohlenwasserstoffe (SOF) bei ausreichender Temperatur zu oxidieren
oder zu cracken, wodurch die Partikelmasse erheblich vermindert werden kann. Dies ist in Ab-
65
FEV
bildung 6.10 beispielhaft für einen Nutzfahrzeugmotor Mercedes-Benz OM 906 LA dargestellt,
der mit unterschiedlichen Kraftstoffen (Diesel nach DIN EN590 = DFref, RME, B5Ult und VPower) betrieben wurde. Über den DOC wird die Partikelmasse durch die Oxidation von angelagerten Kohlenwasserstoffen für alle untersuchten Kraftstoffe deutlich reduziert. Dabei werden gleichermaßen sowohl die kraftstoffstämmigen als auch die ölstämmigen SOF-Anteile
vermindert. Mit der Reduktion der SOF-Anteile ändert sich dabei aber auch die Partikelzusammensetzung signifikant: da der Feststoffanteil (Rußanteil) durch den Einsatz eines DOC
nur unwesentlich verändert wird, nimmt der prozentuale Anteil der SOF-Anteile an der Gesamtpartikelemission über einen DOC deutlich ab.
Abbildung 6.10: Änderung der Partikelzusammensetzung durch einen DieselOxidationskatalysator /117/
Die Bedeutung von schwefelarmen Kraftstoffen im Hinblick auf die Partikelemission wird
auch aus Abbildung 6.11 deutlich. Dargestellt ist die Partikelemission (Total Particulate Matter, TPM) bei Verwendung eines Platin-basierten DOC für drei unterschiedliche Schwefelgehalte des Kraftstoffs als Funktion der Temperatur. Der Kohlenstoffanteil der Partikel liegt in
allen Fällen unter 0,01 g/kWh. Sowohl mit 500 ppm und noch ausgeprägter mit 1500 ppm
Schwefel im Kraftstoff zeigt sich ein signifikanter Anstieg der Partikelemission – bedingt
durch Sulfatbildung am DOC – mit einem ausgeprägten Maximum bei etwa 450 bis 500 °C,
welches durch das thermodynamische Gleichgewicht der SO2-Oxidation zu SO3 begründet ist
/55/.
Abbildung 6.11: Partikelbildung über Sulfate am Diesel-Oxidationskatalysator /55/
66
FEV
6.2.2 Dieselpartikelfilter (DPF)
Der Dieselpartikelfilter stellt eine wirksame Maßnahme zur Reduktion der Partikelmassenemission im gesamten Kennfeldbereich dar, wie u. a. in Abbildung 3.3 und Abbildung 3.8
gezeigt wurde, und wird für Euro 6 beim Pkw bzw. Euro 6 im Nutzfahrzeug flächendeckend in
Europa eingesetzt werden. In Abbildung 6.12 bis Abbildung 6.16 wird ergänzend hierzu anhand mehrerer Beispiele an Pkw- sowie Nutzfahrzeugmotoren aufgezeigt, dass hierbei gleichzeitig auch die Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum von sehr kleinen bis hin zu
großen Partikeln um mehrere Größenordungen reduziert wird.
 Abbildung 6.12 zeigt für zwei unterschiedliche im Serieneinsatz befindliche DPFSubstrate (Siliciumcarbid und Cordierite), dass durch den Einsatz eines geschlossenen
Partikelfilters die emittierte Partikelanzahl über das gesamte Größenspektrum um
mehrere Größenordnungen reduziert werden kann und die Partikelanzahlkonzentration
nach DPF im Bereich der Raumluftkonzentration liegt.
 Abbildung 6.13 zeigt für einen Diesel-Pkw mit DPF, dass sowohl die Partikelanzahl
als auch die Partikelmasse über das gesamte Größenspektrum um mehrere Größenordnungen reduziert werden, wobei die Partikelanzahlkonzentration auch hier im Bereich der Hintergrundbelastung liegt.
 Abbildung 6.14 zeigt für verschiedene gesetzliche Testzyklen sowie weitere Fahrzustände, dass die Partikelanzahl für ein Fahrzeug mit Diesel-Partikelfilter (Peugeot 607
HDI) unabhängig vom Zyklus um mehrere Größenordnungen unter der eines Fahrzeugs ohne Partikelfilter (Mercedes E220 CDI) liegt.
 Abbildung 6.15 zeigt für eine Konstantfahrt bei 80 km/h, dass ein Fahrzeug mit Partikelfilter (Peugeot 607 HDI + FAP) durchschnittlich eine um rund 10 000 Mal geringere Partikelanzahl als ein Fahrzeug ohne Partikelfilter über das gesamte Größenspektrum ausstößt. Die Partikelanzahlkonzentration liegt auch hier im Bereich der Hintergrundbelastung.
 Abbildung 6.16 zeigt für einen Nutzfahrzeugmotor, dass durch Einsatz eines geschlossenen Partikelfilters (EGR CRT Euro-4) die Partikelmasse in allen Größenbereichen
um mindestens zwei Größenordnungen reduziert wird. Durch Einsatz eines PartikelKatalysators (EGR PM-Cat Euro-4) kann die emittierte Partikelanzahl ebenfalls über
das gesamte Größenspektrum deutlich reduziert werden.
67
Abbildung 6.12: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter /57/
Abbildung 6.13: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Pkw) /58/
FEV
68
FEV
69
FEV
Abbildung 6.16: Partikelanzahlreduktion am Dieselpartikelfilter (Nfz) /60/
Number based filtration efficiency / %
Der Filtrationswirkungsgrad von Partikelfiltern hängt stark von der Beladung des Filters mit
Ruß ab und steigt i. A. mit zunehmender Rußbeladung an (siehe auch Abbildung 5.12). Dies ist
in Abbildung 6.17 für mehrere unterschiedliche Filtersubstrate dargestellt. Hierzu wurden die
Filter zunächst im Regenerationsbetrieb vollständig geleert und dann nach Beendigung der
Regeneration und Umschalten in den Normalbetrieb die Partikelanzahl kontinuierlich gemessen und daraus ein Abscheidewirkungsgrad für die Partikelanzahl berechnet. Es wird deutlich,
dass der anzahlbezogene Filterwirkungsgrad im unbeladenen Zustand zunächst zwischen 70
und 90 % liegt und danach mit zunehmender Rußbeladung schnell auf Werte nahe 100 % ansteigt. Dabei beträgt die Zeitdauer bis zum Erreichen der maximalen Filtrationseffizienz nur
rund 1 bis 2 % der Zeitdauer zwischen zwei Regenerationsintervallen, sodass über die gesamte
Betriebsdauer ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
100
95
90
Regeneration
mode
normal mode
85
80
75
70
65
60
-0.05
0
0.05
 Unmittelbar nach der
aktiven DPF-Regeneration
(vollkommen entleerter
DPF) werden i. a.
anzahlbezogene
Filtrationswirkungsgrade
von 70-80 % erreicht
 Schon mit vergleichsweise
geringen Filterbeladungen
steigt der anzahlbezogene
Filtrationswirkunsggrad
schnell auf Werte nahe
100 % an
0.1
0.15
0.2
Specific soot loading / g/l
Anteil Betriebsdauer:
1-2%
98-99%
Abbildung 6.17: Partikelanzahlreduktion als Funktion der Filterbeladung /FEV/
Reihe1
70
FEV
Die schnelle Zunahme der Filtrationseffizienz mit zunehmender Filterbeladung wird auch aus
Abbildung 6.18 deutlich: Es zeigt sich, dass die Rußmasse sowie die Partikelanzahl nach ungefähr 200 s im europäischen Fahrzyklus (NEFZ) nach Partikelfilter stärker abnehmen als die
Rohemission, was auf einen Anstieg der Filtrationseffizienz zurückzuführen ist. Schon zu Beginn des Zyklus weist der DPF einen hohen Wirkungsgrad von rund 99,7 % auf, der über den
Test mit zunehmender Beladung auf > 99,9 % ansteigt.
Abbildung 6.18: Rußmasse sowie die Partikelanzahl nach Partikelfilter /44/
Der Einfluss des Partikelfilters auf die Partikelanzahlemission beim Nutzfahrzeugmotor ist
auch in Abbildung 6.19 /90/ dargestellt, wobei hier auch der Einfluss einer aktiven DPFRegeneration aufgezeigt wird. Verglichen werden die Partikelanzahlemissionen einer Motorentechnologie des Modelljahres 2004 ohne Partikelfilter und DOC mit einer Technologie des
Jahres 2007 mit aktiv regeneriertem Partikelfilter in verschiedenen Testzyklen. Es zeigt sich,
dass auch mit einer aktiven Partikelfilterregeneration die Reduktion der Partikelanzahl für die
Technologie des Jahres 2007 bei rund 90 % gegenüber der Technologie des Jahres 2004 liegt
und ohne Regeneration sogar mehr als 99 % beträgt.
71
FEV
Abbildung 6.19: Einfluss eines Partikelfilters auf die Partikelanzahlemission bei einem
Nutzfahrzeugmotor mit und ohne aktive Regeneration /90/
Engine Out
54
1.0
PM / [mg/m³]
0.8
Engine Out
42
-99.3 %
-99.4 %
0.6
Engine Out
104
-99.1 %
0.4
-97.9 %
4
-98.9 %
0.2
BMEP = 8 bar
Engine Out
93
5
Engine Out
12
-99.4 %
-99.5 %
Speed = 3000 rpm
BMEP = 2 bar
PM / [mg/m³]
Speed = 3000 rpm
Engine Out
11
-98.6 %
-98.2 %
-91.8 %
3
-98.8 %
-92.7 %
2
1
0.0
0
Total PM
NSOF
SOF
Total PM
NSOF
SOF
SiC DPF 1
SiC DPF 2
Abbildung 6.20: Filtrationseffizienz am Dieselpartikelfilter für verschiedene
Partikelfraktionen /FEV/
Eine detaillierte Analyse der Partikelzusammensetzung an einem Pkw-Dieselmotor vor und
nach Partikelfilter für zwei stationäre Motorbetriebspunkte zeigt, dass mit einem WallflowPartikelfilter hohe massebezogene Filtrationswirkungsgrade sowohl für den nichtlöslichen Anteil (im wesentlichen Ruß) als auch die löslichen Anteile erzielt werden (Abbildung 6.21). Der
72
FEV
Abscheidegrad für den Feststoffanteil ist dabei höher als für den (vom Betriebspunkt abhängigen) löslichen Anteil.
Gefilterter Anteil SOF
= 11.9 mg/m³
 SOF-Anteil in der
Rohemission = 22%
Anteil nach Filter
= 0.318 mg/m³
(0.6% der Rohemission
 99.4% Filterwirkungsgrad)
Emission nach Filter NSOF
= 210 µg/m³
Emission nach Filter SOF
= 108 µg/m³
Gefilterter Anteil NSOF
= 41.8 mg/m³
 SOF-Anteil in der Emission
nach Filter = 34 %
Betriebspunkt: n = 3000 1/min, pme = 2 bar
Filtertyp: Siliziumkarbid, Pt-beschichtet
NSOF: non-soluble organic fraction (organisch unlösliche Bestandteile)
SOF: soluble organic fraction (organisch lösliche Bestandteile)
Abbildung 6.21: Einfluss Dieselpartikelfilter auf Partikelzusammensetzung /FEV/
Abbildung 6.22 zeigt anhand eines Beispiels aus /44/, /46/, welche Streuungen bei der Betrachtung der Partikelanzahlmessung berücksichtigt werden müssen. Dargestellt sind Ergebnisse der
Partikelanzahlmessung im NEFZ von neuen konditionierten Fahrzeugen über der Testanzahl.
Es zeigt sich, dass für verschiedene Fahrzeuge des gleichen Typs und Modells große Streuungen auftreten können und selbst für die wiederholte Vermessung des gleichen Fahrzeugs Unterschiede in der Größenordnung von rund 100 % berücksichtigt werden müssen. Der Vergleich von drei unterschiedlichen Methoden zur Partikelmessung (zwei Methoden zur Partikelanzahlmessung, eine Methode zur Messung der Partikelmasse) zeigt, dass die Unterschiede im
Wesentlichen auf Streuungen der Fahrzeugemissionen und nicht auf Ungenauigkeiten der
Messtechnik zurückzuführen sind /44/, /46/.
Die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sowohl der Partikelmassen- als auch der Partikelanzahlmessung an einem Euro-6-Nutzfahrzeugmotor wird auch in /94/ für unterschiedliche
Zyklen und Verdünnungssysteme (Vollstrom- sowie Teilstromverdünnung) detailliert aufgezeigt. Auch hier zeigt sich ein großer Einfluss der Variabilitäten von Motor bzw. Partikelfilter
auf die Partikelanzahlemissionen.
Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Streuungen bei der Partikelanzahlmessung sei an
dieser Stelle darauf hingewiesen, dass diese bei der Interpretation von Ergebnissen –
insbesondere bei geringen Unterschieden bzgl. Partikelanzahl oder -größenverteilung – in der
Literatur und damit auch in dieser Studie zu berücksichtigen sind.
73
FEV
Abbildung 6.22: Teststreuung bei Partikelanzahlmessung /44/, /46/
Abbildung 6.23: Vergleich von drei Methoden zur Partikelmessung /44/, /46/
Neben den geschlossenen oder Wall-Flow-Partikelfiltern werden von einigen Herstellern beim
Nutzfahrzeug und im Pkw-Bereich im Wesentlichen bei der Nachrüstung auch Teilstromsysteme (Partikelkatalysatoren) beim Dieselmotor eingesetzt. Mit derartigen Systemen können
auch hohe massebezogene Abscheidegrade erzielt werden, die jedoch deutlich unter denen der
geschlossenen Systeme liegen. In Abbildung 6.24 ist die Partikelmassenreduktion am PartikelKatalysator für einen Nutzfahrzeugmotor für den stationären ESC und transienten ETCTestzyklus dargestellt, welche bei 70 % bzw. 64 % liegt und für das dargestellte Konzept das
Erreichen der Euro-4-Partikelgrenzwerte sicherstellt. Der Filtrationswirkungsgrad kann u. a.
74
FEV
über die Auslegung des Systems beeinflusst und auch über die dargestellten Werte hinaus erhöht werden, jedoch ergibt sich hier im Allgemeinen ein Konflikt zwischen dem Abscheidegrad und dem Abgasgegendruck des Filters /75/.
Abbildung 6.24: Partikelmassenreduktion am Partikel-Katalysator /61/
Abbildung 6.25 zeigt ebenfalls an einem Nutzfahrzeugmotor, dass neben der Reduktion der
Partikelmasse durch Einsatz eines Partikel-Katalysators ebenfalls die emittierte Partikelanzahl
über das gesamte Größenspektrum deutlich reduziert werden kann (siehe auch /75/). Im vorliegenden Beispiel ergibt sich eine nahezu konstante Abscheideeffizienz von etwa 70 % über das
gesamte Größenspektrum.
Somit stellen auch die Teilstromsysteme eine wirksame Maßnahme zur Reduktion sowohl der
Partikelmasse als auch der Partikelanzahl dar.
Abbildung 6.25: Partikelanzahlreduktion am Partikel-Katalysator /62/
75
FEV
6.2.3 NOx-Nachbehandlungssysteme
Bei dem in Kapitel 5.2.3.1 beschriebenen SCR-Verfahren wird mit der Harnstoff-WasserLösung ein zusätzlicher Betriebsstoff in das Abgas eingebracht, sodass sich hier grundsätzlich
die Frage nach einem möglichen Einfluss auf die Partikelemission stellt. In Abbildung 6.26
sind vor diesem Hintergrund Ergebnisse von Untersuchungen an einem Euro-5Nutzfahrzeugmotor mit SCR im Vergleich zu einem Euro-3-Konzept mit Partikelfilter dargestellt. Vor dem SCR-Katalysator zeigt sich beim Euro-5-Motor eine deutliche Erhöhung von
Feststoff-Feinstpartikeln, die mit zunehmender Last steigt und bei Volllast die Partikelkonzentration unterhalb von 30 nm um mehr als eine Größenordnung erhöht. Mögliche Ursachen hierfür sind die Bildung von Sulfaten, Mineralpartikel aus dem Reduktionsmittel oder Reaktionsprodukte aus dem Reduktionsmittel /63/. Die Partikelanzahl wird über den SCR-Katalysator
jedoch wieder deutlich auf ein vergleichbares Niveau zu Euro 3 ohne DPF (Volllast) bzw. darunter (Teillast und Leerlauf) reduziert.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass für ein zukünftiges Euro-6-Konzept
zusätzlich zu der SCR-Technologie auch ein Partikelfilter eingesetzt werden wird, sodass sich
hierüber eine deutliche weitere Absenkung der Partikelemissionen über das gesamte Größenspektrum bis auf oder sogar unter das Niveau des Euro-3-Motors mit DPF ergeben wird. Die
Ergebnisse zeigen damit, dass durch ein SCR-System bei einem modernen Euro-6-Motor mit
SCR und Partikelfilter die Partikelemissionen gegenüber einem Konzept nur mit Partikelfilter
nicht erhöht werden.
Abbildung 6.26: Einfluss SCR auf Partikelanzahl (Nfz-Motor) /63/
In Abbildung 6.27 ist die Korrelation zwischen der Festpartikelanzahl (CPC mit Verdampfungsstrecke) und Rußmasse (AVL483 MSS) für einen LKW-Motor mit SCR-System für verschiedene Fahrzyklen und Messungen mit/ohne SCR Katalysator sowie mit/ohne Harnstoffeinspritzung untersucht worden /121/. Zum einen zeigt sich, dass Partikelanzahl und Russkonzentration unter vergleichbaren Motorlasten und bei gleicher Verbrennungsstrategie gute Korrelationen aufweisen. Darüber hinaus zeigt sich auch, dass sich durch den Einsatz der SCRTechnologie keine negativen Auswirkungen auf die Partikelanzahlemission ergeben; es zeigt
sich für keinen der untersuchten Zyklen eine Tendenz zur Verschiebung der Korrelation in
Richtung einer erhöhten Partikelanzahl.
76
FEV
Abbildung 6.27: Korrelation zwischen Partikelmasse und –anzahl mit und ohne SCR-System
und mit/ohne Harnstoffdosierung /121/
Beim NOx-Speicherkatalysator ist intermittierend zur Regeneration der eingespeicherten Stickoxide ein unterstöchiometrischer (fetter) Betrieb des Dieselmotors erforderlich. Der Motorbetrieb unterscheidet sich dabei grundlegend vom charakteristischen überstöchiometrischen (mageren) Betrieb des Dieselmotors, sodass im Folgenden die Partikelemission aus dem Fettbetrieb eines Dieselmotors näher betrachtet werden soll.
Abbildung 6.28 zeigt in diesem Zusammenhang die Partikelmassenemission eines PkwDieselmotors im Rohabgas (d. h. vor der Abgasnachbehandlung) im Vergleich zwischen Mager- und Fettbetrieb für vier Motorbetriebspunkte. Es wird deutlich, dass sich abhängig vom
Motorbetriebspunkt der Fettbetrieb hinsichtlich Partikelmasse und -zusammensetzung signifikant vom Magerbetrieb unterscheiden kann. Im Niedriglastbetrieb bei 1395 min-1/1.9 bar steigt
die Gesamtpartikelemission im Fettbetrieb deutlich an, wobei die Partikelmasse hier im Wesentlichen über angelagerte Kohlenwasserstoffe aus einer Nacheinspritzung begründet ist. Im
Gegensatz dazu steigt im Betriebspunkt 1500 min-1/3.2 bar die Gesamtpartikelemission im Wesentlichen über einen höheren Feststoffanteil an und im Betriebspunkt 3000 min-1/2 bar nimmt
die Partikelemission im Fettbetrieb sogar ab. Im Vergleich zum Magerbetrieb wird für die
meisten Betriebspunkte in der Partikelgesamtmasse bei Fettbetrieb ein höherer Anteil eines
unlöslichen organischen Pyrolysats, welches sich bei einer Temperatur von 500 bis 600 °C
zersetzt, beobachtet. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Auswirkungen des Fettbetriebs
auf die Partikelemission und -zusammensetzung stark von der gewählten Strategie zur Darstellung des Fettbetriebs über die in Kapitel 5.2.3.2 beschriebenen Maßnahmen abhängt und sich
über das Katalysatorsystem DOC/NSK noch signifikant verändert.
77
Partikelemission [mg/m3 ]
Partikelemission [mg/m3 ]
700
Magerbetrieb
Fettbetrieb
600
500
n = 1395 1/min
pme = 1.9 bar
50
n = 1500 1/min
pme = 5 bar
40
400
30
300
20
FEV
Abdampfung des Pyrolysats
zwischen 500 - 600 °C
200
10
100
150
n = 3000 1/min
pme = 2 bar
125
100
0
50
1
2
3
Probennnahme
Probennnahme
vor
vor DOC/NSK
DOC/NSK
4
n = 1500 1/min
pme = 3.2 bar
40
30
75
20
50
10
25
0 Gesamt1
partikel
2
NSOF
3
4
Ruß
Pyrolysat
n. TGA
n. TGA
0
Gesamt1
partikel
2
NSOF
3
4
Ruß
Pyrolysat
n. TGA
n. TGA
Abbildung 6.28: Partikelrohemission im Fettbetrieb für NSK (Pkw-Motor) /64/
Partikelanzahl dN/dlndp [1/m³]
Partikelanzahl dN/dlndp [1/m³]
Abbildung 6.29 zeigt ergänzend hierzu die Partikelgrößenverteilung für die vier Betriebspunkte
im Vergleich zwischen Mager- und Fettbetrieb. Die Partikelgrößenverteilungen dieser Untersuchungen zeigen, dass eine höherer Rußemission beim Fettbetrieb im Vergleich zum Magerbetrieb nicht auf eine Erhöhung der Partikelanzahl zurückzuführen ist, sondern vielmehr auf
einer Verschiebung der Partikelgrößenverteilung zu größeren Durchmessern beruht.
14
10
13
14
n = 1395 1/min; pme = 1.3 bar
10
12
12
11
11
10
10
10
10
8
10
10
10
Magerbetrieb
Fettbetrieb
9
10
8
100
10
1000 10
14
10
13
10
12
10
11
10
10
10
12
10
11
10
10
10
9
9
10
10
1000
13
10
8
100
14
10
10
n = 1500 1/min; pme = 5 bar
10
10
9
13
10
10
10
10
10
n = 3000 1/min; pme = 2 bar
100
Durchmesser [nm]
8
10
1000 10
n = 1500 1/min; pme = 3.2 bar
100
Durchmesser [nm]
1000
Abbildung 6.29: Partikelrohemission im Fettbetrieb für NSK (Pkw-Motor) /64/
78
6.3
FEV
Auswirkungen von Kraftstoffqualität und -art
Wie in Kapitel 3.2 beschrieben hat sich mit der Emissionsgesetzgebung auch die Kraftstoffqualität entscheidend verbessert bzw. verändert. Im Folgenden sollen in diesem Zusammenhang
die Auswirkungen der Kraftstoffeigenschaften auf die Partikelemission näher betrachtet werden.
Der Schwefelgehalt des Kraftstoffs hat insbesondere beim Einsatz von Oxidationskatalysatoren
über die Sulfatbildung einen großen Einfluss auf die Partikelemission, wie schon in Abbildung
6.10 und Abbildung 6.11 gezeigt wurde. In Ergänzung hierzu zeigt
Abbildung 6.30 den Einfluss des Kraftstoff-Schwefelgehalts auf die Partikelemission für einen
Nutzfahrzeugmotor mit einem für die Emissionsstufen Euro 4 bzw. Euro 5 relevanten Partikelemissionsniveau. Mit hohen Schwefelgehalten im Kraftstoff ist die Erreichung strenger PMGrenzwerte gemäß dieser Darstellung nicht möglich, da die Sulfatbildung in einem so hohen
Maße zur Partikelmasse beiträgt, dass die Grenzwerte überschritten werden. Dieser Anteil wird
auch durch einen Partikelfilter nicht gemindert.
Effect
Sulphur
Level on Kraftstoffe
PM Emissions
In Europa
ist mit of
der Fuel
Einführung
nahezu schwefelfreier
heute der Sulfatanteil an

den Partikeln
deutlich reduziert
und damit
hat sich die Partikelzusammensetzung hinsichtlich
downstream
a CRT
-System
dieses Aspekts über die letzten Jahrzehnte signifikant verändert.
PM-Emissions [g/kW h]
0.030
Industrial Engines Stage IIIb Limit
0.025
H D EU R O IV/V (ESC ) PM Lim it
0.020
0.015
0.010
0.005
Source: Johnson Matthey (SAE TOPTEC 2000)
0.000
0
10
20
30
Fuel S ulphur Level [ppm ]
40
50
Abbildung 6.30: Einfluss des Kraftstoff-Schwefelgehalts auf die Partikelemission /56/
In den letzten Jahren wird dem Dieselkraftstoff gemäß der gesetzlichen Bestimmungen vermehrt Bio-Diesel beigemischt. Ein erhöhter Bio-Diesel-Anteil hat im Allgemeinen eine leicht
79
FEV
erhöhte Stickoxidemission bei gleichzeitig deutlich reduzierter Partikelmassenemission zur
Folge, was u. a. durch den höheren Sauerstoffanteil im Kraftstoff erklärt werden kann. Diese
Aussage wird durch die Ergebnisse in Abbildung 6.31 für Rapsmethylester (RME) und RapsölKraftstoff (ROR) bestätigt (Anm.: neben RME und ROR sind auch Ergebnisse für einen Gasto-Liquid Kraftstoff (GTL) dargestellt), die an einem 7l Industriemotor ermittelt wurden. Insbesondere bei höherer Motorlast wird sowohl mit RME als auch ROR die Partikelmassenemission deutlich vermindert. Auch für die mit SMPS bestimmte Partikelanzahlkonzentration zeigt
sich keine Erhöhung der Partikelanzahl für RME; für ROR nimmt dises sogar deutlich ab. Die
spezifische Oberfläche LQ-DC ist für die beiden Biokraftstoff im Vergleich zu den anderen
Kraftstoffen deutlich reduziert /118/.
Abbildung 6.31: Einfluss Biokraftstoff (und anderen Kraftstoffen) auf Partikelemission /118/
Diese Ergebnisse werden durch Daten aus /74/, /117/ bestätigt und hinsichtlich Informationen
zu Partikelgrößenverteilung und -struktur ergänzt. Hierzu wurden Untersuchungen an einem
Euro-3-Nutzfahrzeugmotor im ESC-Test mit vier unterschiedlichen Kraftstoffen (konventioneller mineralischer Dieselkraftstoff, Rapsölmethylester, Aral Ultimate Diesel mit 5 % RMEBeimischung und Shell V-Power Dieselkraftstoff) durchgeführt. Die Partikelgrößenverteilung
wurde mit SMPS (mit beheizter Verdünnung) sowie mit einem ELPI gemessen.
RME weist im Vergleich zu allen anderen Kraftstoffen die geringste Partikelemission sowohl
vor als auch nach Oxidationskatalysator (DOC) auf, was im Wesentlichen auf einen deutlich
geringeren Feststoffanteil (ISF) zurückzuführen ist (Abbildung 6.32). In den Untersuchungen
der Partikelzusammensetzung konnte für RME ein im Vergleich zu den anderen untersuchten
Kraftstoffen erhöhter Anteil an unverbranntem Kraftstoff an den Partikeln nachgewiesen werden. Durch den Einsatz des Oxidationskatalysators ist es jedoch möglich, eine deutliche Reduktion des organisch löslichen Anteils (SOF) zu erzielen /74/.
80
FEV
Abbildung 6.32: Partikelzusammensetzung im ESC-Test ohne und mit DOC /74/
In den Messungen der Partikelanzahl wurden für RME – analog zu den Ergebnissen der Partikelmassenemission – die niedrigsten Emissionen nachgewiesen, die drei anderen Kraftstoffe
zeigten untereinander ein ähnliches Emissionsverhalten hinsichtlich der Partikelanzahl /74/
(Abbildung 6.33 und Abbildung 6.34). Die Messungen mit SMPS wurden dabei ohne (20 °C)
und mit (250 °C) beheizter Verdünnung durchgeführt.
Zusätzliche Untersuchungen mit REM hinsichtlich der Partikelstruktur ließen keine Abhängigkeit vom verwendeten Kraftstoff erkennen /74/.
Abbildung 6.33: Partikelgrößenverteilung mit SMPS nach DOC /74/
81
FEV
Abbildung 6.34: Partikelgrößenverteilung mit ELPI mit und ohne DOC /74/
Auch in Abbildung 6.35 ist mit zunehmendem Anteil an FAME (Biokraftstoff) – analog zur
Partikelmassenreduktion – eine deutliche Reduktion der Partikelanzahlemission erkennbar. Die
Partikelanzahl nimmt dabei hier für kleine Partikel mit steigendem FAME-Anteil zu. Hier ist
ggf. ein Einfluss hochsiedender Kraftstoffanteile aus dem Biokraftstoff auf die Partikelanzahlmessung nicht auszuschließen.
dN/dlog dp (normiert) / %
100
80
Diesel
60 % Diesel, 40 % FAME
FAME
n = 1500 min-1
60
Teillast
40
20
0
10
100
Partikeldurchmesser dp / nm
1000
Abbildung 6.35: Einfluss Biokraftstoff auf Partikelanzahlemission /70/
Ein signifikanter Einfluss von Biodiesel (hier: FAME) auf die Partikelstruktur konnte auch in
/70/ an einem Einzylinder Dieselmotor nicht gefunden werden. Die Ergebnisse zeigen hier vergleichbare Primärpartikelgrößen und Agglomeratgrößen im direkten Vergleich zwischen FAME-Ruß und Diesel-Ruß (Abbildung 6.36).
82
FAME-Ruß
Primärpartikelgröße: 28 nm
Agglomeratgröße: 10-500 nm
FEV
Diesel-Ruß
Primärpartikelgröße: 32 nm
Agglomeratgröße: 10-1000 nm
Abbildung 6.36: Einfluss Biokraftstoff auf Partikelmorphologie (Diesel-Einzylinder) /70/
In /71/ gezeigte Untersuchungen zur Struktur von Rußpartikeln für ULSD zeigen (Ultra-lowsulfur-Diesel) mit 20 % Biodiesel-Anteil (B20) eine signifikant weniger geordnete Struktur
(amorphe Strukturen) im Vergleich zum konventionellen Dieselkraftstoff (ULSD). Als mögliche Ursachen für die unterschiedlichen Strukturen werden eine unterschiedliche ZeitTemperaturhistorie im Brennraum sowie die unterschiedliche Kraftstoffzusammensetzung und
damit unterschiedliche Kraftstoffzersetzung und Rußbildungsprozesse genannt.
Abbildung 6.37: Einfluss von Biodiesel auf Rußstruktur /71/
6.4
Entwicklung Partikelemissionen Gesamtsystem
In diesem Kapitel sollen Ergebnisse von Untersuchungen dargestellt werden, die einen direkten
Vergleich von Motoren bzw. Fahrzeugen über mehrere Emissionsstufen zum Inhalt haben, um
83
FEV
die Auswirkungen der veränderten Motor- und Abgasnachbehandlungstechnologien auf die
Partikelemissionen im unmittelbaren Vergleich aufzeigen zu können.
Abbildung 6.38 zeigt vor diesem Hintergrund einen Vergleich der Partikelmassenemission für
unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten für je ein Euro-3- (ohne DPF), Euro-4- (mit DPF)
und Euro-5-Fahrzeug (mit DPF). Die Messwerte bis 100 km/h sind dabei aus einem NEFZTest (inkl. Kaltstart) entnommen, die Messwerte über 100 km/h aus stationären Messungen. Es
zeigt sich beim Übergang von Euro 3 zu Euro 4/5 eine deutliche Reduzierung der Partikelmassenemission durch Einsatz des Partikelfilters über den gesamten Geschwindigkeitsbereich. Mit
dem Einsatz des Diesel-Partikelfilters erfolgt somit eine zuverlässige Reduktion der Partikel im
gesamten Betriebsbereich und unter allen Betriebszuständen des Motors.
Abbildung 6.38: Entwicklung der Partikel-Emissionen Euro 3 bis Euro 5 /73/
Abbildung 6.39 und Abbildung 6.40 zeigen am Beispiel des VW Golf die Entwicklung der
Partikelmassen- und -anzahlemission sowie der Partikelgrößenverteilung in der Rohemission
(d. h. vor DPF) von der Emissionsstufe Euro 1 bis hin zur Emissionsstufe Euro 4. Eine weitere
mögliche Reduktion der Partikelanzahl ab Euro 4 durch den Einsatz eines Partikelfilters ist in
diesem Vergleich nicht berücksichtigt.
Die Darstellungen zeigen deutlich, dass über die Emissionsstufen die Partikelmassenemission
durch eine Kombination verschiedenster motorischer Maßnahmen deutlich reduziert wurde und
dabei in nahezu direkter Korrelation auch die Partikelanzahl reduziert werden konnte. Die Partikelanzahl kann dabei gleichmäßig über das gesamte Größenspektrum abgesenkt werden. Ein
negativer Einfluss der technologischen Maßnahmen zur Emissionsreduzierung (z. B. erhöhter
Einspritzdruck) auf die Partikelanzahlemission kann somit nicht nachgewiesen werden.
84
FEV
Abbildung 6.39: Entwicklung der Partikel-Emissionen (ohne DPF);
Beispiel: Diesel-PKW (VW Golf) im NEFZ /65/
5·1013
Euro 4
Euro 3
Euro 2
Euro 4
Partikelanzahl / #/km
4·1013
3·1013
2·1013
1·1013
0·100
10
100
1000
Abbildung 6.40: Entwicklung der Partikel-Emissionen;
Beispiel: Diesel-PKW (VW Golf) im NEFZ /65/
In /66/ wurden Untersuchungen an einem weiten Bereich von Diesel-Motortechnologien und
unterschiedlichen Herstellern hinsichtlich der Partikelmassen- und -anzahlemission durchgeführt (Abbildung 6.41). Sowohl für Pkw- (gemessen mit SMPS bei 100 km/h) als auch für
Nutzfahrzeug-Motoren (gemessen mit SMPS bei konstanter Last) konnte dabei innerhalb eines
gewissen Streubereichs eine Abnahme der Partikelanzahl in Korrelation zu der Abnahme der
Partikelmasse gefunden werden. Auch die Partikelgrößenverteilung (Abbildung 6.42) zeigt für
die modernen Dieselverfahren keinen Trend in Richtung kleinerer Partikel im Vergleich zu
„konventionellen“ Motoren.
Eine Tendenz zu erhöhter Partikelanzahlemissionen durch die technologischen Maßnahmen
zur Emissionsreduzierung kann somit auch hier nicht abgeleitet werden.
85
FEV
Abbildung 6.41: Entwicklung der Partikel-Emissionen Diesel-PKW und -Nutzfahrzeuge /66/
Abbildung 6.42: Entwicklung der Partikelanzahl-Emissionen für Diesel-Pkw /65/
In /44/, /46/ wurde die Korrelation zwischen Partikel- bzw. Rußmasse und Partikelanzahl durch
Vermessung verschiedener Fahrzeuge ohne und mit Partikelfilter untersucht (Abbildung 6.43).
Es zeigt sich eine annähernd lineare Korrelation zwischen Partikelmassen- und
-anzahlemission für Fahrzeuge ohne DPF, welche in etwa 2 * 1012 Partikel je mg beträgt. Die
Korrelation lässt sich bzgl. der Anzahl von Feststoffpartikeln und der Rußmasse auch auf Fahrzeuge mit Partikelfilter übertragen, was durch die Tatsache, dass in modernen, mit einem Oxidationskatalysator ausgestatteten Dieselmotoren Ruß die wesentliche Komponente der Partikel
darstellt, sowie den gleichmäßig hohen Filtrationswirkungsgrad über das Partikelgrößenspektrum zu erklären ist. Aus dieser Korrelation ergibt sich für das Euro-6-Limit für die Partikelanzahl von 6 * 1011 Partikel/km eine Rußmasse von nur 0,3 mg/km, die um eine Faktor größer 10
unter dem Grenzwert liegt. Gemäß dieser Betrachtung wird für die Euro-6-Gesetzgebung beim
Pkw zukünftig die Partikelanzahl die entscheidende Größe darstellen.
86
FEV
Abbildung 6.43: Korrelation zwischen Partikelmasse und Partikelanzahl /44/, /46/
In Abbildung 6.44 sind die Ergebnisse von Untersuchungen an mehreren Pkw mit den Emissionsstufen Euro 2 bis Euro 4 (alle ohne Partikelfilter) im NEFZ-Testzyklus auf dem Rollenprüfstand dargestellt. Bei der Betrachtung der Rußemissionen ist zu berücksichtigen, dass bei den
Untersuchungen Fahrzeuge aus dem Feld mit zum Teil erheblichen Laufleistungen verwendet
wurden. Auch aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen ergeben sich keine Indizien für eine
erhöhte Partikelanzahlkorrelation von Motorkonzepten mit niedrigen Partikelmassenemissionen.
8E+13
EU5 / EU6: 6.0 x 1011 [1/km]
EU 2
7E+13
Partikelanzahl [1/km]
EU 2
6E+13
5E+13
4E+13
EU 3
EU 3
EU 3
EU 4
3E+13
EU 3
EU 4
EU 3
2E+13
EU 4
EU 3
EU 4
1E+13
0
0.000
Untersuchungen an Fahrzeugen aus dem
Feld mit z. T. erheblicher Laufleistung
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
PM [g/km]
Abbildung 6.44: Korrelation zwischen Massen- und Anzahlemission /FEV/
In /68/ und /79/ sind Vergleiche zur Rußstruktur zwischen einem Euro-3-Ruß und einem Euro4-Ruß dargestellt. Die Untersuchungen wurden an einem MAN-D0836-Motor durchgeführt,
der für die Erreichung der Euro-4-Emissionswerte über Anpassung der Einspritz- und Aufladeparameter sowie AGR-Rate eingestellt wurde. Um die Euro-4-Partikelgrenzwerte zu erreichen,
wurde zusätzlich ein Partikelkatalysator eingesetzt. Während der Euro-3-Ruß einen Zwiebelschalen-ähnlichen Aufbau zeigt, sind für den Euro-4-Ruß in der Mehrheit – neben in geringerer
Anzahl vorliegenden rundlichen Primärpartikeln mit Schalenstruktur – fullerenartige Strukturen erkennbar. Als mögliche Ursache hierfür wird eine erhöhte AGR-Rate mit entsprechenden
87
FEV
Auswirkungen auf die Randbedingungen während der Rußbildung genannt /68/. Die fullerenartigen Primärpartikel besitzen eine ausgeprägte Koagulationsneigung und sind damit stets Bausteine eines größeren Rußagglomerats /79/.
In ähnlicher Weise wurde in /69/ die Struktur von Euro-4-Ruß mit der von Euro-6-Ruß verglichen. Die Sammlung von Euro-4-Ruß erfolgte dabei während zweier aufeinanderfolgender
WHTC-Zyklen (world harmonized transient cycle) aus dem unverdünnten Rohabgas eines
MAN-D20-Motors, der die Euro-4-Abgasnorm erfüllt. Der als Euro-6 bezeichnete Ruß wurde
während zweier aufeinanderfolgender ESC-Zyklen (european stationary cycle) an einem
MAN-D26-Motorenprüfstand gesammelt, welcher für die Erfüllung der Euro-6-Norm für
Nutzfahrzeuge ausgelegt ist. Zwischen Euro-4- und Euro-6-Ruß wurden hier keine ausgeprägten morphologischen Unterschiede festgestellt. Es existiert eine ähnliche Anordnung der Graphenschichten, welche durch einen analogen Rußbildungsprozess unter sauerstoffarmen Bedingungen und hohen Temperaturen erklärt werden kann. Eine mögliche Erklärung könnte
darin liegen, dass Euro-4- und Euro-6-Motor ähnliche Brennverfahren u. a. auch mit vergleichbaren AGR-Raten nutzen und die Euro-6-Stickoxidgrenzwerte bei vergleichbarer Rohemission
über ein nachgeschaltetes SCR-System erreicht werden. Dies kann aus der Literaturquelle aber
nicht belegt werden.
Euro III -Ruß
Core-Shell-Aufbau:
 ungeordneter Kern
 stapelförmig aufgebaute (A),
zwiebelartige Schale
Euro IV -Ruß
fullerenartiger Aufbau:
 kein erkennbarer Kern
 zu geringer Energieeintrag für Bildung von
geordnetem zwiebelartig aufgebautem Ruß
 Aufbau aus verdrehten Bandstrukturen (B)
 mögliche Ursache: erhöhter AGR-Anteil
Abbildung 6.45: Vergleich Diesel-Nfz, Euro-3- vs. Euro-4-Ruß /68/
Euro IV -Ruß
Euro VI -Ruß
 Euro IV & Euro VI Ruß zeigen ähnliche Struktur
 mögliche Ursache: analoger Rußbildungsprozess
Abbildung 6.46: Vergleich Diesel-Nfz, Euro-4- vs. Euro-6-Ruß /69/
88
FEV
7
Im Rahmen der vorliegenden Studie soll eine Darstellung der Emissionsverbesserungen durch
die Einführung/Weiterentwicklung von Technologien mit Schwerpunkt auf den Partikelemissionen erfolgen. Weitere Emissionen (z. B. NOx/NO2-Emissionen, PAH, Aldehyde, N2O) sollen
im Rahmen der Studie nur betrachtet werden, sofern aus den Quellen verfügbar; eine detaillierte Betrachtung erfolgte im Rahmen der Studie nicht. Aus diesem Grund stellen die folgenden
Daten nur einen Auszug dar und erheben keinen Anspruch auf eine umfassende Darstellung
der Auswirkungen des Technologiefortschritts auf sonstige Emissionen.
7.1
Stickstoffoxid-Emissionen
Stickstoffdioxid (NO2) kommt im Zusammenhang mit modernen Abgasnachbehandlungssystemen wie schon in Kapitel 5.2 beschrieben eine wichtige Bedeutung zu:
 Im Diesel-Oxidationskatalysator erfolgt neben der Oxidation von Kohlenmonoxid und
Kohlenwasserstoffen auch eine Oxidation von NO zu NO2.
 Im Dieselpartikelfilter kann das NO2 unter günstigen Betriebsbedingungen (insbesondere
ausreichende Abgastemperatur) für eine passive Regeneration des Filters genutzt werden.
 Bei der SCR-Technologie wird insbesondere die Niedertemperaturaktivität durch einen
NO2-Anteil von 50 % im Abgas deutlich verbessert.
 Beim NOx-Speicherkatalysator erfolgt die Einlagerung der Stickstoffoxide über NO2.
Abbildung 7.1 zeigt beispielhaft die NO2-Emissionen am Motoraustritt nach Oxidationskatalysator und nach einem nicht mit Ruß beladenen beschichteten Partikelfilter (CDPF) am Beispiel
eines Euro-4-Pkw-Dieselmotors. Es wird deutlich, dass schon vor dem Abgasnachbehandlungssystem insbesondere im Niedriglastbereich (d. h. bei geringen Abgastemperaturen) signifikante NO2-Anteile im Rohabgas enthalten sein können. Nach Oxidationskatalysator werden
für Abgastemperaturen > 350 °C NO2-Anteile nahe dem chemischen Gleichgewicht erreicht,
während für Temperaturen < 350 °C die NO2-Bildung durch Konkurrenzreaktionen mit der
CO- und HC-Oxidation behindert wird und für niedrige Temperaturen sogar ein Abbau von
NO2 über den DOC erfolgen kann. Ein beschichteter, in diesem Beispiel nicht mit Ruß beladener Partikelfilter kann die NO2-Bildung insbesondere im Niedertemperaturbereich noch einmal
deutlich verbessern, sodass auch hier NO2-Anteile nahe dem chemischen Gleichgewicht erreicht werden können.
Bei der passiven Partikelfilterregeneration (siehe auch Abschnitt 5.2.2.3) wird bei einer ausreichenden Abgastemperatur Ruß über eine Reaktion mit NO2 abgebaut. Aus den möglichen Reaktionsgleichungen lässt sich hierfür ein Massenverhältnis von benötigtem NO2 zu Ruß zwischen etwa 4 und 8 ableiten; in realen Rußabbrandtests wird typischerweise ein Massenverhältnis von rund 8 gefunden, was auf ein Überwiegen des Rußabbaus über die zweite Reaktionsgleichung nach Abbildung 7.1 schließen lässt.
89
FEV
1.0
upstream catalyst
downstream catalyst
downstream (unloaded) CDPF
0.9
0.8
NO2/NOx-Ratio[-]
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Temperature [°C]
Abbildung 7.1: NO2-Emissionen nach Motor, nach DOC und nach CDPF /FEV/
Possible reactions:
NO2 + C
2 NO2 + C
Verhältnis verbrauchtes NO2 über Filter/
ratio used
NO2 / converted
soot[-]mass [-]
Russmasse
abgebaute
20
CO + NO
CO2 + 2 NO
Theoretical mass ratio for consideration of both reactions:
4 < mNO2 / mC < 8
18
16
14
12
10
Actual required mass ratio
mNO2 / mC ~ 8
8
6
4
2
0
0
20
40
60
kumulierte
Partikelrohemission
Cumulated
PM raw emission [g] [g]
80
100
Abbildung 7.2: Massenverhältnis NO2 zu Ruß für passive Partikelfilterregeneration /FEV/
Abbildung 7.3 zeigt beispielhaft die NO2-Emissionen vor und nach einem Partikelfilter während der passiven Regeneration über der Rußbeladung des Filters. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Beladung des Filters ein signifikanter Anteil des NO2 für die Rußoxidation verbraucht wird und die NO2-Emissionen nach DPF damit unter der Eingangskonzentration liegen. Damit wird bei der passiven Partikelfilterregeneration, die in weiten Kennfeldbereichen
bei jedem Partikelfiltersystem auftritt, unmittelbar ein signifikanter Anteil des auf dem DOC
gebildeten NO2 zum Rußabbrand wieder verbraucht. Es sei in diesem Zusammenhang jedoch
darauf hingewiesen, dass Partikelfilter heute vielfach auch katalytisch beschichtet sind und
90
FEV
über die katalytische Beschichtung im Allgemeinen wieder eine Erhöhung der NO2Konzentration – u. a. im Hinblick auf ein nachgeschaltetes SCR-System – erfolgt.
NO2 [g/km] upstream filter
NO2 [g/km] downstream filter
0.140
0.120
0.100
0.080
NO2 used for
soot oxidation
0.060
0.040
0.020
0.000
0
10
20
30
DPF Loading
[g]
40
50
60
Abbildung 7.3: NO2-Emission vor und nach Partikelfilter bei passiver Regeneration
(schematisch) /FEV/
War der Übergang von Euro 2 zu Euro 3 trotz verminderter NO x-Emissionen vielfach durch
den Einsatz eines Oxidationskatalysators noch mit einem Anstieg der NO2-Emissionen verbunden, so können mit aktuellen Euro-5-/Euro-6-Emissionskonzepten unter Nutzung von Abgasnachbehandlungssystemen parallel zu den NOx-Emissionen auch die NO2-Emissionen im Vergleich zu Euro-3-Konzepten deutlich verringert werden. Somit leisten Konzepte zur Verminderung der NOx-Emissionen auch einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der NO2-Emissionen.
Abbildung 7.4: NO2-Emission vor und nach Partikelfilter bei passiver Regeneration
(schematisch) /47/
Ein SCR-System kann dabei sogar überproportional zur Reduktion der NO2-Emissionen beitragen, da gemäß der Reaktionsmechanismen bis zu einem Anteil von 50 % NO2 im Abgas
zunächst bevorzugt NO2 über die SCR-Reaktion abgebaut wird. Dies ist in Abbildung 7.5 beispielhaft für einen Pkw mit Partikelfilter und nachgeschaltetem SCR-System im europäischen
91
FEV
Testzyklus (NEFZ) gezeigt. Während nach DPF und damit vor SCR (oberes Teildiagramm) der
NO2-Anteil an den gesamten Stickoxidemissionen noch bei rund 50 % liegt, nimmt der NO2Anteil nach SCR-System bei gleichzeitig von 110 auf 45 mg/km reduzierter GesamtStickoxidemission deutlich ab (unteres Teildiagramm).
Abbildung 7.5: NOx-/NO2-Emissionen vor und nach SCR-System /47/
7.2
Sonstige Emissionen
In /49/ wurde der Einfluss verschiedener Abgasnachbehandlungssysteme (unbeschichteter Partikelfilter, beschichteter Partikelfilter, kombinierte Partikelfilter-und SCR-Konzepte) auf die
PAH (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) sowie Nitro-PAH-Emissionen untersucht. Wie in Abbildung 7.6 dargestellt ist, wurde dabei eine Reduktion der gesamten PAHEmissionen von über 90 % für die untersuchten Abgasnachbehandlungssysteme gemessen. Die
Reduktion der partikelförmigen PAH liegt dabei über 95 % und ist unabhängig von der kataly-
92
FEV
tischen Beschichtung, während die Reduktion der gasförmigen PAH von der katalytischen Beschichtung sowie der Abgastemperatur beeinflusst wird.
In Abbildung 7.7 ist dargestellt, dass auch für die Nitro-PAH ohne Abgasnachbehandlung um
Größenordnungen höhere Emissionen von 1-Nitro-Pyrenen (das dominante Nitro-PAH) im
Vergleich zu Motoren mit beschichtetem und unbeschichtetem DPF gemessen werden. Nicht
beschichtete DPF zeigen dabei höhere Emissionen von 3-Nitrophenanthrene im Vergleich zur
Basis. Die beiden untersuchten SCR-Systeme führen nicht zu einer Erhöhung der Nitro-PAH
Bildung /49/. Es kann also festgehalten werden, dass auch für diese Emissionen ein positiver
Einfluss des DPF gegeben ist.
Abbildung 7.6: PAH-Emissionen mit Abgasnachbehandlung /49/
Abbildung 7.7: Nitro-PAH-Emissionen mit Abgasnachbehandlung /49/
93
FEV
Anhand eines Vergleichs von Nutzfahrzeug-Motorentechnologien des Modelljahrs 2004 mit
denen des Modelljahrs 2007 (hier insbesondere mit Abgasrückführung und DPF) wird auch in
/90/ eine Reduktion von nicht-limitierten Emissionen für moderne Motorentechnologien in
einem 16-Stunden-Testzyklus aufgezeigt.
Abbildung 7.8: Minderung nicht-limitierter Emissionen in einem 16-Stunden-Zyklus /90/
Auf die Möglichkeit der Bildung stickstoffhaltiger Verbindungen, u. a. auch Nitro-PAH, in
Verbindung mit der SCR-Technologie wird auch in der ACES-Studie des Health Effects Institutes /88/ hingewiesen. Weitere detaillierte Untersuchungen zur Charakterisierung der Abgasemissionen von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren des Modelljahrs 2010 mit SCR- und DPFTechnologie sind u. a. im Rahmen der zweiten Phase dieser Studie geplant.
94
Zusammenfassung und Ausblick
8
FEV
Dieselmotoren haben sowohl beim Pkw als auch beim Nutzfahrzeug in den letzten 30 Jahren
seit Einführung der Emissionsgesetzgebung eine rasante Entwicklung zu mehr Effizienz, Umweltschutz und Komfort erfahren. Die technischen Entwicklungen, die für die drastischen Absenkungen der Emissionen verantwortlich sind, beinhalten dabei sämtliche Aspekte vom Kraftstoff über das motorische Brennverfahren bis hin zur Abgasnachbehandlung. Ein ebenfalls sehr
großer Einfluss kommt der Entwicklung der Motorsteuerung zu, welche früher mechanisch
verlief und heute ausschließlich elektronischer Art ist. Diese ermöglicht die präzise Ansteuerung der Motorkomponenten sowie eine gezielte Beeinflussung des Verbrennungsablaufs, welche mit mechanischen Mitteln nicht realisierbar ist.
Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsreduktion
Innermotorische Maßnahmen zur Optimierung der Verbrennungsführung erlauben heutzutage
die nahezu leistungsunschädliche Minimierung von Partikel- und Stickstoffoxidemissionen.
Die gekühlte Abgasrückführung (AGR) reduziert wirkungsvoll die Emission an Stickstoffoxiden (NOx). Verbesserte Einspritzsysteme mit stark erhöhtem Einspritzdruck und Mehrfacheinspritzung ermöglichen eine bessere Gemischaufbereitung und die Absenkung der Verbrennungstemperatur, wodurch Stickstoffoxide und Partikel vermindert werden. Angepasste Aufladesysteme mit Ladeluftkühlung ermöglichen einen erhöhten Ladedruck. Dieser führt zu einer
höheren Zylinderfüllung, woraus ebenfalls eine geringere Verbrennungstemperatur mit geringeren NOx-Emissionen resultiert. Durch optimierte Brennverfahren mit hoher Turbulenz in der
Brennkammer wird die Gemischaufbereitung weiter verbessert. Insgesamt kann mit den oben
beschriebenen innermotorischen Maßnahmen die Partikelmassenemission deutlich abgesenkt
werden, ohne dass sich hierbei ein negativer Einfluss auf die Partikelgrößenverteilung in Richtung kleinerer Partikel zeigt.
Externe Maßnahmen zur Emissionsreduktion
Durch die Einführung und Verbesserung von Abgasnachbehandlungssystemen wurde die Konzentration an Schadstoffen ebenfalls deutlich gesenkt. So reduziert der Oxidationskatalysator
die Konzentration der Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid-Emissionen, sofern der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, zu nahezu 100 %. Der Oxidationskatalysator vermindert außerdem die an den Rußpartikeln angelagerten Kohlenwasserstoffe, während der Anteil elementaren Kohlenstoffs nahezu nicht verändert wird. Die Bildung von Sulfaten am Oxidationskatalysator stellt für die heute weitestgehend schwefelfreien Kraftstoffe in Europa kein
signifikantes Problem mehr dar. Die verbleibenden Partikel werden im Partikelfilter wirkungsvoll zurückgehalten, dessen Rückhalteeffizienz bei geschlossener Bauweise annähernd 100 %
beträgt, unabhängig von der Partikelgröße und der Betriebsweise des Motors. Neben den geschlossenen Partikelfiltersystemen kommen in einigen Anwendungen auch sogenannte Partikelkatalysatoren zum Einsatz, die prinzipbedingt geringere Abscheidegrade als ein geschlossener Filter aufweisen, die Partikelanzahl jedoch auch über das gesamte Größenspektrum reduzieren. Zur nachmotorischen Reduktion der Stickoxide kommen SCR-Katalysatoren (Selective
Catalytic Reduction) und NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz.
95
FEV
Entwicklung der Partikelemissionen im Gesamtsystem Motor und Abgasnachbehandlung
Die Partikelemissionen moderner Dieselmotoren können hinsichtlich Quantität und Qualität
nicht mit den Emissionen alter Motoren verglichen werden. Besonders der Einsatz geschlossener Partikelfilter führt zu einer drastischen Reduktion der emittierten Partikelmasse und Partikelanzahl, aber auch innermotorische Maßnahmen führen bereits zu einer deutlichen Absenkung insbesondere der Partikelemissionen. Bei Messung von Partikelanzahl und -masse zeigt
sich eine deutliche Korrelation. Eine verminderte Partikelmassenemission ist immer mit einer
Reduktion der Partikelanzahl verbunden. Aussagen, nach denen moderne Motoren besonders
viele kleine Partikel emittieren, konnten auf Messfehler zurückgeführt werden. Ein signifikanter Anstieg kleiner Partikel im Bereich < 30 nm am Motoraustritt durch moderne Motorkonzepte findet nicht statt. Partikelfilter, die mit den Emissionsstufen Euro 5 für Pkw flächendeckend eingeführt wurden und mit Euro 6 auch im Nutzfahrzeug zum Stand der Technik werden, filtern im gesamten Größenbereich mit hoher Effizienz, was durch das Abscheidungsprinzip im Filter erklärt werden kann. Die Abscheidung der Rußpartikel im Partikelfilter beruht
nicht darauf, dass der Durchmesser der Partikel größer ist als die Poren im Filter, woraus sich
eine mit der Partikelgröße ansteigende Filtrationseffizienz ergeben würde. Vielmehr sind nahezu alle Partikel kleiner als die Filterporen. Der wichtigste Abscheidemechanismus ist die Diffusion der Rußpartikel an die Filterwand, welche schnell zum Verschließen der Filterporen und
dem Aufbau eines Rußkuchens führt. Da die Diffusionsgeschwindigkeit der Partikel im Abgas
mit sinkendem Partikeldurchmesser ansteigt, steigt die Effizienz der Rußfilterung prinzipbedingt an, je kleiner die Partikel sind.
Kraftstoffqualität
Auch die Kraftstoffqualität hat sich in den letzten drei Jahrzehnten deutlich verbessert. So ist
der zulässige Schwefelgehalt im Zeitraum von 1965 bis 2005 von 1 auf mittlerweile 0,005 %
gesunken. Auch dies führte zu einer unmittelbaren Absenkung der Partikelemissionen.
Zukünftig werden neben mineralölbasiertem Dieselkraftstoff zunehmend auch Biokraftstoffe
der 1. Generation (FAME, RME) und 2. Generation (Gas to Liquid (GtL) Kraftstoffe oder hydriertes Pflanzenöl (HVO)) zum Einsatz kommen. Diese haben im Allgemeinen einen positiven Einfluss auf die Partikelemissionen und führen insbesondere zu keiner Erhöhung der Partikelanzahlemissionen.
Mit Einführung der nächsten Abgasnorm Euro 6 beim Pkw werden die zulässigen Abgasemissionen speziell für Stickstoffoxide weiter abgesenkt werden; beim Nutzfahrzeug werden mit
der Einführung von Euro 6 sowohl die Partikel- als auch die NOx-Emissionen weiter drastisch
reduziert. Mit der Norm Euro 5b für Pkw und Euro 6 beim Nutzfahrzeug wird zudem ein Partikelanzahlgrenzwert eingeführt, der die Anforderungen an die Partikelemissionen nochmals
drastisch verschärft. Zusätzlich werden immer schärfere Maßnahmen zur Überwachung der
Emissionen im realen Fahrbetrieb über die Laufleistung des Fahrzeugs eingeführt. Weitere
Schritte der Gesetzgebung zur Verbesserung der Abgasqualität von Verbrennungsmotoren sind
zukünftig zu erwarten, daneben wird der Fokus zukünftiger Gesetzgebungen zunehmend auf
den CO2-Emissionen liegen. Dieselmotoren werden sich demnach bezüglich ihrer Schadstoffemissionen und hier insbesondere auch der Partikelemissionen hinsichtlich Quantität, aber
auch qualitativer Aspekte zukünftig immer deutlicher von denen zu Zeiten vor oder zu Beginn
der Einführung der Abgasnormen unterscheiden.
96
Literaturquellen
9
FEV
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105
10
°KW
AdBlue
AGR
BaO
BMEP
BtL
CDPF
CH4
CO
CO2
CPC
CRT
CVS
DI
DOC
DPF
EC
ECE
EGR
ELPI
ELR
ESC
ETC
EUDC
FAME
FSN
FTP
GfG-Ruß
GtL
H2S
HC
HDEP
HVO
HWL
IDI
ISF
ISOF
KBA
n
FEV
Grad Kurbelwinkel
Markenname für Harnstoff/Wasser-Lösung
Abgasrückführung
Bariumoxid
(engl. Brake Mean Effective Pressure): Effektiver Mitteldruck
Biomass to Liquid
(engl. Coated Diesel Particulate Filter):
beschichteter Dieselpartikelfilter
Methan
Kohlenmonoxid
Kohlenstoffdioxid
(engl. Condensation Particle Counter): Kondensationspartikelzähler
(engl. Continuously Regenerating Trap):
passive Partikelfilter Regeneration
(engl. Constant Volume Sampling): Vollstromverdünnungsverfahren
mit konstantem Volumenstrom
(engl. Direct Injection): Direkteinspritzung
(engl. Diesel Oxidation Catalyst): Dieseloxidationskatalysator
(engl. Diesel Particulate Filter): Dieselpartikelfilter
(engl. Elemental Carbon): elementarer Kohlenstoff
Stadtfahrzyklus des NEFZ (siehe auch NEFZ)
(engl. Exhaust Gas Recirculation): Abgasrückführung
(engl. Electrical Low Pressure Impactor): elektrischer NiederdruckImpaktor
(engl. European Load Response Test): transienter Rauchtest
(engl. European Stationary Cycle): stationärer Prüfzyklus
(engl. European Transient Cycle): transienter Prüfzyklus
(engl. Extra-Urban driving cycle): Überlandzyklus, siehe NEFZ
(engl. Fatty Acid Methyl Ester): Fettsäuremethylester
(engl. Filter Smoke Number) : Schwärzungszahl eines Rußtesters
Federal Test Procedure
Ruß aus einem Funkengenerator
Gas to Liquid
Schwefelwasserstoff
Kohlenwasserstoffe
Heavy Duty Engine Platform
hydriertes Pflanzenöl
Harnstoff/Wasser-Lösung
(engl. Indirect Diesel Injection): indirekte Diesel-Einspritzung
(engl. Insoluable Fraction): unlöslicher Partikelanteil
(engl. Insoluable Organic Fraction): unlöslicher organischer
Partikelanteil
Kraftfahrtbundesamt
Drehzahl
106
N2O
N2O3
Nano-DMA
NEDC
NEFZ
NH3
nm
NMHC
NO2
NOx
NSF
NSK
NTE-Bereich
OBD
EC
OT
PAH
PAK
PM
pme
ppm
Re
RME
SCR
SiC
SMPS
SO3
SO4
SOF
SZ
TGA
TPM
ULSD
USF
UT
WHSC
WHTC
WK Engine
FEV
Distickstoffmonoxid
Distickstofftrioxid
Nano-Differentieller Mobilitätsanalysator
(engl. New European Driving Cycle): Neuer europäischer Fahrzyklus
Neuer europäischer Fahrzyklus
Ammoniak
Nanometer
(engl. Non-Methane Hydrocarbons): Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe
Stickstoffdioxid
Stickoxide
(engl. Non-soluable Fraction): unlöslicher Partikelanteil
NOx-Speicherkatalysator
Need-to-Exceed-Bereich
On-Board Diagnose
(engl. Organic Carbon): organischer Kohlenstoff
oberer Totpunkt
(engl. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons): polyzyklische aromatische
Kohlenwasserstoffe
polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
(engl. Particulate Matter): Dieselpartikel
(engl. Mean Effective Pressure): effektiver Mitteldruck
(engl. Parts per Million): Stoffmengenanteil
Reynoldszahl
Rapsmethylester
(engl. Selective Catalytic Reduction): selektive katalytische Reduktion
Siliziumcarbid
Scanning Mobility Particle Sizer Spectrometer
Schwefeltrioxid
Sulfat
(engl. Soluble Organic Fraction): löslicher Partikelanteil
Schwärzungszahl eines Rußtesters
thermogravimetrische Analyse
(engl. Total Particulate Matter): gesamte Partikelemission
(engl. Ultra Low Sulfur Diesel): schwefelarmer Dieselkraftstoff
(engl. unsoluable Fraction): unlöslicher Partikelanteil
unterer Totpunkt
World Harmonized Stationary Cycle
World Harmonized Transient Cycle
Wirbelkammermotor
Bisher in der FAT-Schriftenreihe erschienen (ab 2006)
Nr.
Titel
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------199
Anwendungspotentiale und Prozeßgrenzen der Klebtechnik für die Umformung von Doppellagenblechen, 2006
200
Thermisches Fügen für die stahlintensive Hybridbauweise im Fahrzeugleichtbau, 2006
201
Lufthygienische Beurteilung von Pkw-Innenraumfiltern, 2006
202
Vergleich verschiedener Konzepte der Bodensimulation und von drehenden Rädern zur Nachbildung der
Straßenfahrt im Windkanal und deren Auswirkung auf Fahrzeuge, 2006
203
Methodischer Ansatz im Stahlleichtbau am Beispiel Federbein/Dämpfer, 2006
204
Innovative Nfz-Konzepte - Gesamtwirtschaftliche Effekte durch Einführung schwerer und langer Lkw, 2006
205
Technische Kompatibilität von innovativen Nutzfahrzeugkonzepten auf den kombinierten Verkehr
Straße/Schiene sowie den Containerverkehr, 2006
206
Größenaufgelöste physikalische und chemische Bestimmung von elementarem und Organischem Kohlenstoff
in Nanopartikeln, 2006
207
Erstellung einer VHDL-AMS-Modellbibliothek für die Simulation von Kfz-Systemen, 2006
208
Fahrer-Fahrzeug-Wechselwirkungen bei Fahrmanövern mit Querdynamikbeanspruchungen und zusätzlichen
Vertikaldynamikstörungen, 2006
209
Innovative Nfz-Konzepte - Akzeptanzuntersuchungen zur Einführung und zum Einsatz Innovativer
Nutzfahrzeuge, 2007
210
Das Konzept des Situationsbewusstseins und seine Implikationen für die Fahrsicherheit, 2007
211
FAT-Richtlinie Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation, 2007
212
Innovative Nfz-Konzepte - Wirtschaftlichkeitsanalyse EuroCombi, 2007
213
Störfestigkeit von Fahrzeugelektronik bezüglich ESD und Impulseinkopplung, 2007
214
Betriebsfeste Bemessung von mehrachsig belasteten Laserstrahlschweißverbindungen aus Stahlfeinblechen
des Karosseriebaus, 2007
215
Örtlich ertragbare Beanspruchungen bei Spannungskonzentrationen in Karosseriebauteilen aus hoch- und
höherfesten Stählen, 2008
216
Auswirkung der Berücksichtigung lokaler Größen des E-Moduls im Hinblick auf die verbesserte Auslegung
umgeformter Karosserieblechstrukturen aus Stahl, 2008
217
Aktueller Stand und Trends in der CFK-Berechnung im Fahrzeugbau, 2008
218
In-vitro-Untersuchungen zur Bioverfügbarkeit von an Dieselpartikel gebundenen polyaromatischen
Kohlenwasserstoffen und Nitropyrenen, 2008
219
Bewertender Vergleich der aktuellen Empfehlungen zu den Luftqualitätsgrenzwerten NO2 ,Evidenzbasierter
Vergleich der epidemiologischen Studien 2002-2006 zu Gesundheitseffekten durch NO2 , 2008
220
Fahrdynamische Analyse innovativer Nfz-Konzepte (EuroCombi), 2008
221
Entwicklung einer Methode zur vergleichenden Bewertung von Schwingfestigkeitsversuchen mit gefügten
Stahlblechen in Abhängigkeit des Versagensverhaltens, 2009
222
Untersuchung zur Wahrnehmung von Lenkmomenten bei Pkw, 2009
223
Entwicklung einer Prüfspezifikation zur Charakterisierung von Luftfedern, 2009
224
Klimatische Daten und Pkw-Nutzung - Klimadaten und Nutzungsverhalten zu Auslegung, Versuch und
Simulation an Kraftfahrzeug-Kälte-/Heizanlagen in Europa, USA, China und Indien, 2009
225
CO2-Einsparung durch Verflüssigung des Verkehrsablaufs - Abschätzung staubedingter CO2-Emissionen
und von Reduktionspotentialen durch Verbesserung des Verkehrsablaufs, 2009
226
Modellbasierte Systementwicklung, 2009
227
Schwingfestigkeitsbewertung von Nahtenden MSG-geschweißter Dünnbleche aus Stahl, 2010
228
Systemmodellierung für Komponenten von Hybridfahrzeugen unter Berücksichtigung von Funktions- und
EMV-Gesichtspunkten, 2010
229
Methodische und technische Aspekte einer Naturalistic Driving Study, 2010
230
Analyse der sekundären Gewichtseinsparung, 2010
231
Zuverlässigkeit von automotive embedded Systems, 2011
232
Erweiterung von Prozessgrenzen der Bonded Blank Technologie durch hydromechanische Umformung,
2011
233
Spezifische Anforderungen an das Heiz-Klimasystem elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge, 2011
234
Konsistentes Materialmodell für Umwandlung und mechanische Eigenschaften beim Schweißen
hochfester Mehrphasen-Stähle, 2011
235
Makrostrukturelle Änderungen des Straßenverkehrslärms, Auswirkung auf Lästigkeit und Leistung, 2011
236
Verbesserung der Crashsimulation von Kunststoffbauteilen durch Einbinden von Morphologiedaten aus
der Spritzgießsimulation, 2011
237
Verbrauchsreduktion an Nutzfahrzeugkombinationen durch aerodynamische Maßnahmen, 2011
238
Wechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und -emissionen mit dem Schwerpunkt auf Partikeln,
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ΡρWechselwirkungen zwischen Dieselmotortechnik und

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